Biopohjaista nanoteknologiaa maailman pelastamiseen

Tavoittelemme yhteiskunnassa niin kansallisesti kuin globaalistikin vahvasti bio- ja kiertotaloutta tukevia aktiviteettejä ja applikaatioita. Tähän voitaisiin ottaa tukevaksi toimialaksi tai tuotannon tueksi nanoteknologia. Nanoteknologia mahdollistaa erinäisiä toimintoja ja sovelluksia, ja lähtömateriaaleina voidaan hyödyntää biopohjaisia ja kierrätettäviä tai biohajoavia materiaaleja.

Miksi nanomateriaalit ovat siis kiinnostavia?

Tähän on tärkein selitys se, että nanomateriaaleilla on huomattavasti suurempi pinta-ala, jota voidaan hyödyntää sitoutuessa muihin läsnä oleviin materiaalien komponentteihin. Eli yleensä joko vetysidoksilla tai van-der-Waals sidoksilla voidaan muodostaa vahvempia ja erityyppisiä materiaaleja kun käytettävissä oleva pinta-ala on isompi.

Toinen asia, jonka haluan nostaa esille on se, että nanomateriaaleja voidaan valmistaa myös biopohjaisista materiaaleista, kuten puusta.

Puumateriaalista voidaan eritellä selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä, jotka ovat käyttökelpoisia monissa sovelluksissa.

Yhtenä esimerkkinä mainittakoon kiinnostusta laajalti herättänyt nanoselluloosa, jota voidaan valmistaa mekaanisesti tai kemiallisesti pilkkomalla puumateriaalista eroteltua selluloosaa.

Nanoselluloosalla (CNF) tai mikrofibrilloidulla selluloosalla (MFC) on runsaasti käyttökohteita erilaisissa teknisissä sovelluksissa, kuten pakkausmateriaaleissa, akuissa ja antureissa sekä lääketieteessä.

Näiden materiaalien erona on pelkästään fibrillointiaste, eli se miten pieneksi kuidut on työstetty. Nanoselluloosasta ja mikrofibrilloidusta selluloosasta voidaan muodostaa esimerkiksi kalvoja, jotka voisivat tulevaisuudessa korvata nykyiset öljypohjaiset muovit.

Toisaalta anturisovelluksissa voitaisi hyödyntää nanoselluloosakalvoja esimerkiksi painettavalla elektroniikalla toteutettavissa Internet-of-Things (IoT) -anturien sekä niiden tarvitsemien substraattimateriaalien valmistuksessa. Tämä on tärkeää nimenomaan tulevaisuuden teknologiaan suunnitellusta Trillion-Sensor-Vision toteuttamisesta, jolloin niiden langattomasti tai lähietäisyydeltä luettavien olevien tägien kierrättäminen tai biohajoaminen on erittäin tärkeä näkökulma.

Kolmantena asiana nostaisin tähän yhteyteen hiilinanomateriaalit, joita ovat esimerkiksi hiilinanoputket ja grafeeni. Nämä ovat puhtaasti pelkästään hiilestä muodostuneita rakenteita, ja siten luonnossa yleensä haitattomia materiaaleja.

Esimerkiksi nuotiossa syntyy luonnostaan hiilen yhdisteitä, joista osa on amorfista hiiltä, mutta osittain syntyy myös hiilinanoputkia ja grafeenia. Nämä materiaalit ovat erittäin hyvin sähköäjohtavia, niin sanottuja ballistisia johteita. Hiilinanoputket ovat niin kevyitä ja vahvoja, että niistä voitaisi rakentaa esimerkiksi hissi avaruuteen. 

Seuraavalle kehitysasteelle mentäessä voidaan ajatella valmistettavan nanokomposiittimateriaaleja. Tämä tapahtuu siten, että sotketaan yhteen esimerkiksi hiilinanoputkia ja puupohjaista nanoselluloosaa. Tällä tavalla voidaan valmistaa biopohjaisia ,sähköäjohtavia komposiittimateriaaleja.

Erittäin mielenkiintoinen ominaisuus tällaisen komposiitin valmistamisessa on se, että nanoselluloosamolekyylit erittelevät ja pitävät hiilinanoputket toisistaan erossa. Tämä liittyy siihen aikaisemmin mainitsemaani nanomateriaalien suureen pinta-alaan.

Etenkin hiilinanoputkilla on erittäin iso taipumus kietoutua toisiinsa. Niiden erotteleminen ja erillään pitäminen on haastavaa. Tässä tulee esimerkkinä mieleen nanoselluloosan ja hiilinanoputken yhteisliuos, joka voidaan esimerkiksi sopivalla ultraäänikäsittelyllä käsitellä ja saada aikaan vesiliukoinen seosmateriaali. Tällaista stabiilia liuosta on helpompi prosessoida kalvoiksi vaikka rullalta-rullalle linjastolla.

Tällaisessa kalvossa hiilinanoputket, jotka ovat ohuita mutta pitkiä ja hyvin sähköä johtavia, muodostavat johtavan verkoston läpi koko komposiittikalvon.

Tällaista kalvoa voidaan käyttää esimerkiksi valmistamaan tasaisesti lämpiävä lämmityselementti, jota on perinteisillä metallijohtimilla mahdotonta toteuttaa. Tällaista lämpöelementtiä voitaisi lämmittää ekologisesti vaikka aurinkokennon tuottamalla sähköllä, jolloin voitaisiin tuottaa taloihin aidosti vihreää lämpöä. Tällaista elementtiä on demonstroitu äskettäisen BioÄly-hankkeemme puitteissa esimerkiksi Lohjan asuntomessujen Pyörre-talossa.

Biopohjaiset nanomateriaalit tarjoavat myös paljon muita tulevaisuuden teknologisia mahdollisuuksia. Sovelluksia ovat esimerkiksi aurinkokennosovellukset, pakkausmateriaalit sekä akku/superkondensattori-sovellukset.

Esimerkkinä mainittakoon puusta saatavasta ligniinistä valmistettava “kovahiili”, joka on lupaava materiaali uusissa akkuteknologioissa.

Toisekseen selluloosan luontaiset pietsosähköiset ominaisuudet tarjoavat mahdollisuuden biopohjaisille voima-antureille. Tämä aihepiiri on hyvin kiinnostava etenkin Suomen näkökulmasta. Tämä siksi, että meillä on paljon metsää ja paperiteollisuuden osaamista. Tästä voisi hyvin aueta kansainvälisen tason business-mahdollisuuksia.

Teksti: Sampo Tuukkanen.

Kirjoittaja on Filosofian tohtori fysiikan alalta Tampereelta. sampo.tuukkanen@gmail.com

Kuva: Visualisointi siitä, miltä avaruushissi voisi näyttää. Hiilinanoputket ovat keveitä ja vahvoja, joten ne soveltuisivat esimerkiksi tällaiseen rakennelmaan.