Veijo Hänninen

Nanomateriaalit yllättävät

Nanotekniset pyrkimykset tuovat monista materiaaleista esiin tarkempia yksityiskohtia. Esimerkiksi vedellä on kolme yhteistä faasia - jää, neste ja höyry - jotka voivat esiintyä vakaasti yhtaikaa vain tietyssä lämpötilassa ja paineessa.

nano-washinton-vo2triplepoint-300-t.jpgÄskettäin University of Washingtonin tutkijat ovat tehneet kaikkien aikojen ensimmäisen tarkan kiinteän aineen kolmen pisteen määrittämisen vanadiinidioksidissa. Kyseinen aine vaihtaa tilaansa sähköisestä eristeestä johtimeksi erittäin nopeasti ja voi siten olla käyttökelpoinen monille teknologioille.

Kiinteiden aineiden kolmipistekohdat ovat vaikeita tutkia. Tälläkin kertaa tutkijat halusivat alun perin vain tutkia faasisiirtymiä mutta vuosien mittaa he vähitellen tajusivat, että kolmoispiste on avain siihen. Sitten meni vielä pari vuotta lisää suunnitella kokeilu, joka selittää kolmoispistettä.

Tutkijat pitävät työtä merkittävä askeleena ymmärtää metalli-eriste siirtymää vanadiinidioksidissa. Tämä voisi johtaa uuden tyyppisiin sähköisiin ja optisiin kytkimiin ja vastaavanlaiset kokeet voivat johtaa läpimurtoihin myös muiden materiaalien kanssa.

Materiaali muuttaa muotoaan

Myös materiaalin muuttaminen toisen tyyppiseksi tuo esiin aineiden syvimpiä ominaisuuksia.

Vanadiinidioksidi (VO2) tunnetaan entuudestaan materiaalina joka voi olla sekä eriste että johde. Monilla muillakin materiaaleilla on vastaavat elektroniset muunnosominaisuudet mutta VO2:n muutos tapahtuu suhteellisen alhaisessa 67 Celsius-asteen lämpötilassa joskus jopa alle triljoonasosa sekunnissa.

Siinä onkin kiinnostava lähtökohta esimerkiksi optiselle kytkimelle.

Rice Universityn fyysikot ovat löytäneet tavan muuttaa vanadiinioksidin muutosta palautuvasti. Se tapahtuu vetyseostuksen avulla. Vedyn voi myös poistaa lämmittämällä materiaalia kohtalaisessa lämpötilassa. Sovelluksina voisivat tulla kyseeseen esimerkiksi ultraherkät vetyanturit. 

Aineen olomuodon siirtymiä on saatu aikaan monenlaisilla konsteilla.

Bostonin yliopiston, Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) sekä usean muun laitokset tutkijat ovat todenneet, että tietyissä aineissa tapahtuu siirtymä eristeestä metalliin terahertsisäteilyn vaikutuksen alaisena.

Tiedeinstituutti Carnegien tutkijat ovat puolestaan löytäneet eri materiaaleista uusia muotoja suurten paineiden avulla. He ovat löytäneet keinot, joissa eristeenä tunnettu nikkelioksidi voi muuttua sähköä johtavaksi metalliksi.

Eräs kansainvälinen tutkijaryhmä on puolestaan muuttanut nestemäisen sementin nestemäiseksi metalliseksi puolijohteeksi. Sementtimäiselle puolijohteelle löytyy käyttöä esimerkiksi ohutkalvoina ja suojapäällysteinä.

Monitoiminen materiaali

Penn State Universityn fysiikan professori Qi Lin johtaman tutkimusryhmä on suunnitellut materiaalirajapinnan, joka yhdistää yhdeksi rakenteeksi sekä sähköisen että magneettisen tunneliliitoksen.

memory-penn-monitoiminen-li_tunneljunction-300__kopio.jpgMenetelmällä voitaisiin luoda monitasoisia ja monitoimisia piirejä nanoelektroniikan ja spintroniikan komponentteihin.

Ferrosähköisissä materiaaleissa on spontaani negatiivinen ja positiivinen polarisaatio joka voidaan kääntää. Toisaalta, ferromagneettiset materiaalit muodostavat kestomagneetteja joiden magnetointisuunta on myös käännettävissä.

Tutkijoiden tavoitteena on luoda monitoiminen rakenne korvaamalla tunneliliitoksen estokerros ferrosähköis-magneettisella rajapinnalla.

Tällaisessa rajapinnassa syntynyt tunnelointiresistanssin vahva muutosero merkitsee nopeampaa kytkentää tai vähempiä muistivirheitä. Näin syntynyttä ratkaisua voi pitää nelilukuisen tilan laitteena, koska siinä ferrosähköinen tunnelointi, jota voidaan käyttää kytkimenä tai muistina, on integroitu magneettiseen tunneliliitokseen eli magneettiseen muistityyppiin (MRAM).

Tässä vaiheessa tutkimus osoittaa vain tekniikan toteutettavuuden mutta tulevaisuudessa samassa laitteessa voisi olla sekä nopeampi kytkentä että tallennus tai vaihto tilojen 1, 2, 3 ja 4 välillä.

"Moniferroisesta rajapinnasta rakennetuilla tunneliliitoksilla voisi esimerkiksi kaksinkertaistaa muistin tiloja kahdesta neljään, toteuttaa kytkin ja muisti yhdelle sirulle tai hallita sähköisesti magneettisia laitteita.

Pii pitää pintansa

Tarmokkaasta etsimisestä huolimatta pii on edelleen elektroniikan merkittävin materiaali. Tutkijoiden ponnistelujen myötä se onkin osoittautunut aiempaa joustavammaksi.

nano-upc-ohuempia-piikiekkoja-250.jpgEspanjalaisten Nanoengineering Research Centren (CRNE) ja Universitat Politècnica de Catalunyan (UPC) tutkijat ovat kehittäneet omaperäisen tavan valmistaa erittäin ohuita kiteisen piin materiaaleja nopeammin ja edullisemmin.

Entistä ohuemmille piikiekoille ja -kalvoille olisi kova kysyntä mutta niiden tuottaminen yksikiteisestä piihalosta on kallista. Tutkimusryhmän kehittämä tekniikka mahdollistaa tuottaa yhdellä työvaiheella yksikiteisestä piikiekosta useita halutun paksuisia piikiekkokalvoja.

Menetelmä perustuu lähtömateriaaliin tehtyihin pieniin huokosiin ja valmistusprosessin korkeaan lämpötilaan. Tarkka huokosten halkaisijan hallinta ohjaa sekä kerrosten lukumäärä että niiden paksuutta. Lopuksi eri kerrokset erotetaan toisistaan hilseilevällä tekniikalla.

Myös Saudi-Arabialaisen King Abdullah University of Science and Technologyn tutkijat ovat kehittäneet erittäin taipuisan ja osittain läpinäkyvän piikalvotekniikan.

Muhammad Hussainin johtaman työryhmän kehittämä menetelmä hyödyntää perinteistä CMOS-yhteensopivaa prosessia ja se perustuu perinteiselle piikiekolle ALD-tekniikalla luotavaan ohueen aktiiviseen piikalvoon. Kalvolle tutkijat ovat tuottaneet n-tyypin mosfetteja.

Alustastaan irrotetun kalvon ohuus tuottaa läpinäkyvyyden ja taipuisuus saavutetaan kalvon tiheän reikäverkoston avulla.

Läpinäkyvää ioni-elektroniikkaa

nano-harvard-ioni-johde-kaiutin-stretching-gel_300-t.jpgHarvardin yliopistossa on osoitettu, että elektronien sijasta, ioneja voidaan käyttää sähkövarauksien kuljettamiseen laajemmin kuin tähän asti on ajateltu.

Ionien varauksia hyödynnetään akuissa ja ihmiskehon sähköisessä viestinnässä mutta yleensä sitä on pidetty hitaana ja kemiallisille reaktioille alttiina menetelmänä.

Tutkijoiden aiheen demona esittelemä läpinäkyvä kaiutin koostuu ohuesta kumista, joka on kahden suolavesigeelikerrosten välissä. Korkeajännitteisellä signaalilla kalvoa ohjataan kattamaan äänikaista 20 hertsistä 20 kilohertsiin.

- Ioniset johtimet voivat korvata tiettyjä sähköisiä järjestelmiä ja ne jopa tarjoavat useita etuja, toteaa tutkija Jeong-Yun Sun, Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -laitokselta.

Ionijohtimia voidaan venyttää moninkertaisesti ilman ominaisvastuksen kasvua. Toiseksi, ne voivat olla läpinäkyviä, joten ne soveltuvat vaikkapa adaptiivisiin optisiin sovelluksiin. Lisäksi elektrolyytteinä käytettävät geelit ovat bioyhteensopivia.

Timantti kelpaa lämmönjohteeksi

Lämmön johtaminen on yksi keskeinen ongelma elektroniikan parissa.

Rice University ja Honda Research Institute ovat kehittäneet timanttikalvon eli grafeenin ja nanoputkien yhdisteen, joka toimii erittäin hyvänä lämmönsiirtomateriaalina. Tutkijoille suurin anti työstä oli, että kun grafeenia käytetään apuna, hiilinanoputkia pystytään kasvattamaan alustoille, joihin se ei aiemmin onnistunut.

Timantti johtaa lämpöä viisi kertaa paremmin kuin kupari mutta sen käytettävissä oleva pinta-ala on hyvin pieni toisin kuin grafeenilla ja hiilinanoputkilla. Pystysuuntainen timantille kasvatettu hiilinanoputkien metsä haihduttaa lämpöä erittäin tehokkaasti. Ohuena rakenteena se voisi säästää jäähdytystilaa pienissä mikropiireissä.

Käytännön tasolla timantti on myös havaittu hyväksi lämpörajapinnaksi GaN-pohjaisille transistoreille.

Epitaksiaalisen siirron avulla esimerkiksi TriQuint Semiconductor pystyi irrottamaan GaN-transistorin kasvatusalustaltaan ja asettamaan sen synteettisesti kasvatetulle timanttialustalle. Näin voidaan tehostaa tehokkaiden RF-transistoreiden suorituskykyä.

Näkymättömyystekniikkaa lämpövirtauksille

Tietyillä metamateriaaleilla valoa tai ääntä voidaan ohjata kiertämään kohde eli tuottaa niin sanottu näkymättömyysviitta.

nano-kit-forscher_bauen_tarnkappe_fuer_waermefluss-t-300.jpgKarlsruhe Institute of Technologyn (KIT) tutkijat ovat osoittaneet, että metamateriaaleja voidaan käyttää myös ohjaamaan lämmön siirtymistä.

Kupari on hyvä lämmönjohde mutta piimateriaali huono. Tutkijat yhdistivät ohuen kuparilevyn rengasmaisiin piirakenteisiin, jolloin syntyi materiaali, joka johtaa lämpöä eri suuntiin eri nopeuksilla. Tällä tavoin aika, joka tarvitaan piilotetun objektin kiertämiseen, voidaan kompensoida, toteaa tutkimuksen vetäjä Robert Schittny.

Kun uutta metamateriaalia kuumennetaan toisesta reunasta, lämpö ei siirry rakenteen keskiosaan eikä ulkopuolella ei ole mitään viitteitä siitä, mitä sisällä tapahtuu. Täten tekniikalla voidaan suojata jokin kohde muualta tulevalta lämmöltä.

Parempi rajapinta jäähdytykselle

North Carolina State Universityn tutkijoiden kehittämä lämpöä siirtävä materiaalin perustuu kupari-grafeeni komposiittikalvon, joka liitetään elektroniikkapiiriin indium-grafeenisen rajapintakalvon avulla.

Sekä kupari-grafeenilla että indium-grafeenilla on luonnollisia materiaaleja suurempi lämmönjohtavuus, jolloin komponentti voi jäähtyä noin 25 prosenttia nopeammin kuin puhtaalla kuparilla.

Kun kuparin lämmönjohtavuus on 380 W/mK, on se 200 mikronin paksuisella kupari-grafeeni komposiittikalvolla 27 Celsius-asteen lämpötilassa 460 W/mK.

Supervahva nanoliima

Jokin riesa voi olla joskus hyödyllisen keksinnön lähde.

University of Californian insinöörit ovat kehittäneet tällä tavoin superohuen nanoliiman. Se perustuu läpinäkyvään ja joustavaan materiaaliin, jota kutsutaan polydimetyylisiloksaaniksi tai PDMS:ksi. Kun se normaalisti irrotetaan sileältä pinnalta se jättää jälkeensä ultraohuen tahmean jäännöksen, jota pidetään yleensä riesana.

Tutkijat hiffasivat, että jäännöstä voisikin käyttää liimana parantamalla sen liimausominaisuuksia käsittelemällä jäännöspintaa hapella. Uuden liiman paksuus on vain muutamia molekyylejä ja se johtaa lämpöä.

Kehittäjien mukaan liimaus on niin vahvat, että liimattu materiaali rikkoutuu ennen kuin liimaus aukeaa. Liima toimii vain tasaisilla pinnoilla ja se voidaan poistaa lämpökäsittelyllä.

Magneettista ja optista jäähdytystä

Myös suoranaisia jäähdytyskeinoja pyritään tuomaan yhä kutistuvaan elektroniikkaan.

Espanjalaisen CICnanoGUNEn -tutkimuslaitoksen ja University of Cambridgen tutkijat ovat kehittäneet mikropiireille soveltuvan magneettisen jäähdytystekniikan. Tutkijat keksivät käyttää materiaaleja jännitettyinä, jolloin menetelmä mahdollistaa hyvin paikallisesti hallitun jäähdytysmenetelmän, häiritsemättä muita samassa laitteessa olevia osia.

Optisen jäähdytyksen idea on sekin peräisin 1920-luvulta mutta vasta äskettäin sellainen onnistuttiin toteuttamaan puolijohteelle.

Nanyangin teknillisen korkeakoulun (NTU) tiedemiesten on onnistunut jäähdyttämään puolijohdetta laserilla +20 asteisesta -20 Celsius-asteeseen. NTU:n tutkijoiden materiaalina oli kadmiumsulfidi, ryhmän II-VI puolijohde, jota käytetään aurinkokennoissa, antureissa ja elektroniikassa.

Tutkimusryhmä etsii jatkossa tapaa tuoda puolijohteen laserjäähdytys vieläkin kylmempiin lämpötiloihin, jolloin tekniikalla voisi toteuttaa esimerkiksi sairaaloiden nestemäisellä heliumilla jäähdytettyihin MRI-laitteisiin pienikokoinen optinen jäähdytyslaite.

Hiilinanoputket tuotteistuvat

Hiilinanoputket ovat jo vanha tieteellinen löytö mutta vasta nyt se alkaa jalostua teolliseksi tuotteeksi.

Yhdysvaltalainen Nancomp Technology (NTI) -yhtiö on harvoja hiilinanoputkiin perustuvia kaupallisia tuotteita valmistava yritys. NTI valmistaa erilaisia kalvoja, nauhoja ja lankoja, joista voidaan sitten valmistaa paitsi mekaanisesti vahvoja ja kevyitä tuotteita mutta myös EMI-suojia ja johtimia. Tähän asti hiilinanoputkituotteet ovat olleet yleensä pulverimaisia lisäaineita, joita käytetään puolijohteissa, LCD-näytöissä ja vaikkapa antureissa.

NTI:n valmistamia johtimia ja lankoja käytetään kuparijohtimien korvaajina lentokoneissa ja autoissa. CNT-perustaisilla datakaapeleilla saavutetaan vastaava signaalien eheys kuin kuparikaapeleilla.

Kalvomaiset materiaalit toimivat EMI-suojina lentokoneissa, sähkökaapelien suojina mutta myös metallisten virtakeräimien korvaajina akkuelektodeissa.

Edelleen hiilinanoputkiin perustuvien kalvotuotteiden terminen johtavuus voidaan muokata olemaan parhaimmillaan materiaalin akselisuunnassa mutta heikoimmillaan läpäisysuunnassa (Z), joten näin syntyy kevyt ja ohut terminen eriste.

Yhdysvaltain puolustusministeriö pitää hiilinanoputkituotteita kriittisinä tuotteina kansallisen turvallisuuden kannalta. Se näkee materiaalit tärkeinä monille seuraavan sukupolven alustoille ja komponenteille, kuten kevyet kehon ja ajoneuvojen suojapanssarit, paremmat rakenteelliset komponentit satelliitteihin ja lentokoneisiin, suunnatun energian ja EMI-suojaukset militaarijärjestelmille sekä kevyet kaapelit ja johdotukset.

 Valo, lämpö ja vesihöyry töihin

Texasin Arlington yliopistossa on kehitetty hybridimateriaali, jolla voidaan muuntaa sekä valoa että lämpöenergiaa sähkövirraksi. Aiemmin tämä on onnistunut vain jommallakummalla.

Tutkijat tuottivat kuparisulfidin nanohiukkasten ja yksiseinämäisien hiilinanoputkien yhdistelmän ja rakensivat lämpösähköisen prototyypin, jolla he tuottivat milliwattien tehon.

Tekniikalla voitaisiin käyttää vähävirtaisia laitteita, kuten omavoimaisia antureita. Lisäksi tutkijat uskovat, että keksinnöllä olisi potentiaalia jopa energian tuotantoon aurinkokennojen korvaajana.

nano-mit-vesihoyry-mekaniikkaa-300.jpgMIT:n insinöörit ovat puolestaan luoneet polymeerikalvon, joka voi tuottaa mekaanista liikettä ja sähköä hyödyntämällä vesihöyryä.

Materiaali muuttaa muotoaan vettä absorboidessaan jolloin se käpertyy ja veden haihtuessa oikenee. Jatkuvalla edestakaisella liikkeellä voisi käyttää robotin raajoja tai tuottaa sähkövirtaa mikro- ja nanoelektroniikan laitteille.

Kalvo on valmistettu toisiinsa liittyvistä kahdesta erilaisesta polymeeristä. Toinen polymeeri muodostaa kovan mutta joustavan tukirakenteen ja toinen polymeeri on pehmeä geeli, joka turpoaa kun se absorboi vettä.

Induktanssi rullalle ja sirulle

Mikropiireille tuotetut kelat vievät siruilla suhteettomasti pinta-alaa ja tasomaisina niiden toimintaa heikentää loiskapasitanssi. Erityisesti radiotaajuisissa langattomissa laitteissa kaivattaisiin tehokkaampia induktansseja.

Tutkijapiireissä on kehitetty joitakin kolmiulotteisia induktorirakenteita mutta menetelmät ovat monimutkaisia eivätkä hevin sovellu mikropiirivalmistukseen.

Illinoisin yliopiston tutkijat ovatkin keksineet pistää induktorit rullalle. Rullatun kela muokkaamisessa käytetään piinitraattiohutkalvoja. Ne ovat kymmenisen nanometriä paksuja ja rullaavat itsensä putkiksi. Ennen rullautumista kalvolle luodaan metallikuvioinnilla spiraalimainen induktori. Kokoon rullautuneena induktori ottaa vain sadasosan pinta-alasta mitä vastaava tasospiraali vaatisi.

Mallia luonnosta

Nykyiset komposiittimateriaalit perustuvat tietyn suuntaisiin vahvojen ja jäykkien sekä pehmeämpien ja kevyempien materiaalin yhdistelmiin.

Monien elävien organismien tuottamat komposiitit rakentuvat kuitenkin biologisista kolmiulotteisista vahvistavista komposiittielementeistä, joita löytyy esimerkiksi merikotilon rakenteissa sekä hampaiden, luuston ja kasvien varsissa.

ETH-Zürich korkeakoulun tutkijoiden näiden ideoiden pohjalta kehittämä tekniikka mahdollistaa tarkan jäykkyyttä vahvistavien tekijöiden hallinnan synteettisen komposiitin sisällä.

Tekniikassa hyödynnetään superparamagneettisia voimia mutta haasteena oli, että kiinnostavimmat materiaaliyhdisteet ovat epämagneettista. Tutkijaryhmä havaitsi, että he voivat kuitenkin tuottaa magneettisen vasteen lisäämällä pienen määrän magneettisia nanopartikkeleita mikrokokoa olevien jäykkyyttä rakentavien osien pinnalle.

Näin jäykkyysrakenteet ovat ”ohjelmoitavissa” mihin tahansa suuntaan, ominaisuus, jota ei ole osoitettu aikaisemmissa tekniikoissa. Menetelmällä voidaan tuottaa komposiitteja, joissa on paikallista vahvistusta, kulutuskestävyyttä ja muotomuistiefektejä.

Koska menetelmä on toteutettavissa nykyisillä valmistusmenetelmillä tutkijat työskentelevätkin jo kaupallisten yritysten kanssa saadakseen tekniikan teolliseen käyttöön.

Hämähäkit ja kasvit auttavat

Florida State Universityn fyysikko Eden Steven halusi testata, onko hämähäkinseitit taivuteltaessa sähköä johtavia? Ne olivat mutta Steven halusi edelleen nähdä, mitä tapahtuisi, jos hämähäkinseitti päällystetään hiilinanoputkilla.

Steven halusi tutkia ympäristöystävällisiä materiaaleja ja erityisesti materiaaleja, jotka voisivat käsitellä kosteutta ilman monimutkaisia prosesseja ja kemiallisia lisäaineita. Hämähäkinseitti sopii tähän hyvin.

Hiilinanoputkilla päällystettyä seittiä voidaan käyttää kosteusanturina, venymäanturina, toimilaitteena ja sähköjohteina.

nano-city-college-new-york-rubia_tinctorum_root-120.jpgCity College of New Yorkin (CCNY) kemistien sekä Rice Universityn ja Yhdysvaltain armeijan tutkimuslaboratorion yhteinen tutkijaryhmä kehittää myrkytöntä ja kestävää litium-ioni-akkua, jonka teho tulee värimatarasta.

Kyseisen kasvin juurista on keitetty kangasvärejä jo yli 3500 vuotta sitten ja nyt siitä saataville väriaineille on tarjolla ympäristöystävällinen vaihtoehto litium-ioni (Li-ion) akuille

Monet biologiset värimolekyylit soveltuvat akun elektrodiin. Purpuriinin tapauksessa, molekyylin kuusijäseniset (aromaattiset) renkaat soveltuvat kuljettamaan elektroneja edestakaisin.

Paperi-ja-sakset -tekniikalla nanokanavia

Joskus yksinkertaisuus on parasta. Kaksi Northwestern Universityn tutkijaa keksi erittäin helpon tavan tehdä nanofluidisia laitteita: käyttämällä paperia ja saksia.

Nanoluokan nestevirtauslaitteet ovat kiinnostavia, koska pienet kanavat voivat kuljettaa ioneja ja siten normaalia suurempaa sähkövirtaa. Täten niitä voisi käyttää esimerkiksi akuissa tai vedenpuhdistuksessa.

Northwesternin kaksikko yksinkertaisesti pinosi päällekkäin edullisia grafeenioksidiarkkeja ja luoden näin joustavan "paperin" jossa on kymmeniä tuhansia kanavia.

Tyypillisesti tällaisia laitteita valmistetaan kalliisti litografiatekniikoilla ja keksintö tavallaan yllätti tekijät sillä, että näin syntyneet nanokanavat todella toimivat. Kukaan ei ollut aiemmin ajatellut käyttää levymäisien materiaalien välejä virtauskanavina.

Vesikanava lasista vai muovista?

Nanokanavat ovat järjestäneet yllätyksen myös veden viskositeetille.

Normaalisti vesi liikkuu astiassa suunnilleen samalla nopeudella riippumatta siitä, onko astia valmistettu lasista tai muovista. Mutta nanometrien mittaisissa kanavissa vedellä ja mahdollisesti muillakin nesteillä on eroa siinä onko astia tehty lasista tai muovista.

Gerogia Techissä tehty tutkimus osoittaa, että nanomittaisissa lasikanavissa veden viskositeetti voi olla kaksi kertaa niin suuri kuin muovikanavissa. Nanoskooppinen lasikanavia saa veden virtaamaan pikemminkin kuin ketsuppi kuin tavallinen H2O.

Astian ominaisuuksien vaikutus nesteisiin on jälleen yksi esimerkki nanomittakaavan yllättävistä ilmiöistä. Ja se tuo esiin uusia tekijöitä, joita pienten mekaanisten järjestelmien suunnittelijoiden on otettava huomioon.

Syyskuu 2013