Siirry sisältöön
25.5.2018 Artikkeli

Aivan hiilenä

Hiiliatomien verkko voi muuttaa elämäämme lähitulevaisuudessa. Grafeeni tuo aivan uusia mahdollisuuksia yhtä lailla elektroniikkaan kuin lääketieteeseenkin.

1 Teipillä kiinni Nobeliin

Vaikka jokainen lyijykynällä piirrellyt on todennäköisesti luonut grafeenia, sen tutkimus käynnistyi toden teolla vasta 2000-luvulla.

Tutkimus juontaa juurensa vuoteen 1859, jolloin grafiitin kerroksellinen rakenne huomattiin. Ainetta tutkittiin pitkin 1900-lukua, mutta vasta 2004 koettiin läpimurto. Silloin Andre Geim ja Konstantin Novoselov onnistuivat irrottamaan grafiitista yhden atomin paksuisen kerroksen hiiltä – grafeenia.

Irrotuksessa käytettiin niinkin edistynyttä teknologiaa kuin tavallista teippiä. Teipillä vedettiin irti yhä ohuempia kerroksia, kunnes päästiin atomitasolle.

Tämän jälkeen grafeenin kokeellinen tutkimus on kasvanut räjähdysmäisesti.

Geim ja Noveselov saivat tutkimuksestaan Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2010.

Tuorekelmun paksuisen grafeenikalvon saisi rikki vasta terävän lyijykynän päällä tasapainotteleva 6800-kiloinen norsu.

2 Kahdenlaista grafeenia

Nykyisin grafeenia on kahdenlaista: kalvoa ja hiutaleita. Niitä valmistetaan ja käytetään eri tavoilla.

Elektroniikkasovelluksia varten grafeenikalvoa voidaan kasvattaa hiilivetykaasusta höyrystämällä alustalle, joka on esimerkiksi piikarbidia tai kuparia.

Toinen tapa on kuoria grafiittikiteestä hapossa grafeenikiteitä ultraääniravistuksen avulla. Näin saadaan hiutaleita, joita voidaan käyttää komposiittimateriaaleissa polymeerien tai metallien kanssa tai sekoitettuna vaikkapa musteisiin tai maaleihin.

3 Valtavasti mahdollisuuksia

Grafeenin ominaisuuksien ansiosta se kiinnostaa hyvinkin erilaisia teollisuudenaloja. Vahvasti mukana ovat elektroniikka ja optoelektroniikka, televiestintä ja fotoniikka, mutta grafeenilla höystettyjen materiaalien käyttökohteita voi olla missä tahansa.

Nyt esimerkiksi auto-, ilmailu- ja rakennusteollisuudet tutkivat keinoja hyödyntää grafeenia autojen paneeleissa, lentokoneiden siivissä tai betonissa. Lisäaineena päällysteissä grafeenilla voitaisiin parantaa rakennusten säänkestävyyttä tai estää laivoja ruostumasta.

Aineen läpinäkyvyyden, kestävyyden, taipuisuuden ja sähkönjohtavuuden takia ensimmäisiä tutkittuja sovelluksia olivat kosketusnäytöt. Grafeenia voitaisiin käyttää myös puettavissa laitteissa, aurinkopaneeleissa, lasereissa, paristoissa, akuissa, televiestinnässä käytettävissä optisissa komponenteissa sekä erilaisissa antureissa.

4 Kamera-antureista piilolinsseihin

Elektroniikkatuotteissa yksi kärkiyhtiöistä on suomalainen Emberion, joka kehittää grafeeniin perustuvan valoanturin pohjalta kamera-antureita.

Emberion keskittyy tällä hetkellä konenäköön ja spektroskopiaan. Yhtiö kehittää infrapuna-alueella antureita yönäköjärjestelmiin sekä lämpökameroihin, joita voidaan käyttää valvonta- ja turvallisuussovelluksissa. Myöhemmin antureita voi tulla esimerkiksi autonomisiin autoihin.

Grafeenia voidaan käyttää myös bioantureissa sekä lääke-tieteellisissä sovelluksissa, kuten lääkityksen toimittamisessa oikeaan kohteeseen tai syöpähoidoissa säteilytyksen kohdistamisessa.

Joustavana ja läpinäkyvänä johteena grafeeni on hyvä elektrodi taivuteltaviin laitteisiin, kuten kehitteillä oleviin aktiivisiin piilolinsseihin. Esimerkiksi grafeenin ja elektroaktiivisen muovin yhdistelmällä voitaisiin säätää linssin optiikkaa ja korjata silmän taittovirhettä.

5 Teollistamisen ongelmia

Varsinkin grafeenikalvojen tuotannossa ongelmana on valmistuksen kasvattaminen teolliselle tasolle ja kapasiteetin lisääminen.

Kyseessä on muna–kana-ongelma. Markkinoille pitäisi saada riittävästi grafeenituotteita, jotta joku kehittäisi tuotantoprosessia edelleen ja kehitystyölle löytyisi riittävästi rahoitusta.

Komposiiteissa matka ideasta tuotteeksi on lyhyempi. Siinä ei tarvitse miettiä, miten grafeeni integroidaan muihin komponentteihin, kuten elektroniikassa.

Grafeenin saatavuuden lisäksi ongelmaksi nousee standardien puute. Markkinoilla grafeenia myyvistä tarjoajista kukaan ei pysty kertomaan, minkä laatuista tuotetta heiltä saa. Laatumääritykset ovat tällä hetkellä täysin villejä.

Kun laatustandardi saadaan määritettyä, grafeenin ostaminen ja myyminen helpottuvat huomattavasti. Lisäksi kallista tuotekehitys- ja tuotantoaikaa ei enää tärväydy laadun määrittä-miseen.

Pioneeriyritykset eivät voi jäädä odottamaan standardien syntyä, vaikka työtä niiden luomiseksi tehdään määrätietoisesti. Esimerkiksi Euroopan unionin Grafeeni-lippulaivahankkeessa on standardisointia edistävä työryhmä.

ISO-standardi kaksiulotteisten materiaalien sanastolle on jo olemassa, ja standardit grafeenin rakenteellisille ominaisuuksille ovat valmistumassa. National Physics Laboratory Englannissa on julkaisut käytännön ohjeita grafeenin rakenteen ja ominaisuuksien mittaa-miseen.

Suomi on mukana maailmanlaajuisen standardisoimisjärjestön ISOn nanoteknologian standardisointiryhmässä, joka laatii myös grafeeniin liittyviä standardeja. Grafeenin standardi-soimisesta Suomessa vastaa SFS:n toimiala-yhteisö SESKO.

6 Riskejä vai ei?

Pienikokoiset grafeenikiteet voivat kulkeutua elimistöön ja päästä vuorovaikutukseen solujen kanssa. Tutkimustuloksia tästä alkaa olla jo paljon.

Vaikka mitään suuria vaikutuksia ei ole havaittu ja elimistön tiedetään pystyvän poistamaan grafeenin itsestään, riskit otetaan hyvin vakavasti. Niiden tutkimus on yksi EU:n Grafeeni-lippulaivahankkeen olennaisia osa-alueita.

Toisaalta grafeenia suunnitellaan käytettäväksi kosmetologisissa ja lääketieteellisissä tuotteissa ja prosesseissa, joissa grafeenin kyky reagoida on kaiken a ja o.

Teksti: Anne Hänninen

Kuvitus: Shutterstock, Anna Makkonen

Lähteet

VTT:n tutkija Sanna Arpiainen

Emberion Oy:n toimitusjohtaja Tapani Ryhänen

graphene-flagship.eu

National Graphene Institute

Julkaistu Presiis-lehden numerossa 1/2018.