Nanokoossa kaikki on toisin
Mitä nanoteknologia on? Nanoteknologia tarkoittaa nanometrimittakaavassa kehitettäviä rakenteita ja hiukkasia.
Nanometri on mikrometrin tuhannesosa. Vertailukohtana ihmisen hius on paksuudeltaan noin80 mikrometriä eli 80 000 nanometriä. Nanokokoiset rakenteet eivät näy tavallisilla mikroskoopeilla, koska ne ovat näkyvän valon aallonpituutta pienempiä.
Nanomittakaavassa tututkin materiaalit käyttäytyvät aivan uudella tavalla. Aineen kyky johtaa sähköä voi muuttua. Samoin voi muuttua lämmönjohtavuus, optiset ominaisuudet, väri, vahvuus tai magneettisuus.
Siksi nanoainesten avulla voidaan muuttaa perinteistenmateriaalien ominaisuuksia.
– Matkapuhelinten näytön kosketusanturissa läpinäkyvänä johteena käytetty indiumtinaoksidi on jäykkää. Kun kosketusanturi tehdään hiilen nanoputkien verkosta, se muuttuu taipuisaksi. Silloin voidaan kehittää vaikkapa kännykkä, jonka suuren näytön voi taittaa kasaan, sanoo professori Esko I. Kauppinen Aalto-yliopiston perustieteidenkorkeakoulusta.
1. Oppia luonnosta
Nanorakenteiden ja -materiaalien kehittäjät ottavat kiivaasti oppia luonnosta, jossa reaktiot tapahtuvat molekyylitasolla. Esimerkkejä on lukuisia.
Valkoisten pigmenttienkäyttöä esimerkiksi maalinja paperin tuotannossa voitaisiin vähentää matkimalla cyphochilulus-suvun kovakuoriaisen kuoren rakennetta. Sen ohuet kitiinilevyt heijastavat kaikkia näkyvän valonaallonpituuksia paremmin kuin mikään muu biomateriaali. Kuoriainen onkin paperiarkkia valkoisempi.
Gekko kävelee seinällä sen jalkapohjia peittävien hienonhienojen karvojen avulla. Jokainen karva muodostaa alustaan heikonsidoksen. Vaikka yksittäinen sidos on heikko, tartuntapisteitä on erittäin suurimäärä. Gekoista kertyneen tiedonavulla voidaan kehittää keinoja kiipeillä eri pinnoilla tai liimatonteippi, jonka voi kiinnittää aina uudelleen.
Kasvimaailmasta tutuin nanoteknikko lienee lootus. Sen lehtien pinnalla on nanorakenteilla päällystettyjä karvoja, jotka hylkivät vettä. Koska vesi vie valuessaan mukanaan kaiken lian, lootus pysyy aina puhtaana. Vastaavaa rakennetta voidaan käyttää ikkunoissa, julkisivumaaleissa, kylpyhuonekalusteissa tai jopa lentokoneissa.
2. Nano ollut aina kanssamme
Nanohiukkasia on ollut ympäristössämme aina, sillä niitä syntyy esimerkiksi tulivuorten purkauksista, metsäpaloista ja ilmakehässä kemiallisten reaktioiden seurauksena.
Ihminen on lisännyt omaa altistumistaan nanohiukkasille lisäämällä niitä tuottavien palamisreaktioidenmäärää. Nanohiukkasia syntyy niin saunan lämmityksessä kuin polttovoimaloissa ja monissa muissa teollisissa prosesseissa sekä diesel- ja bensiiniauton ajossa.
– Monet vanhatkin tuotteet ovat nanotekniikkaa, vaikka niitä ei tunneta sillä nimellä. Hyvä esimerkki on vuosikymmeniä väriaineena käytetty hiilimusta. Hiilimustahiukkasen koko on noin50 nanometriä, Kauppinen kertoo.
Teollisia nanomateriaaleja ja rakenteita on tuotettu usean kymmenenvuoden ajan.
3. Nanolla pienet riskit?
Pienen kokonsa ansiosta nanomateriaalit voivat altistaa uusille terveys- ja ympäristöhaitoille.
Nanohiukkaset ja -rakenteet pystyvät tunkeutumaan kehon soluihin ja läpäisemään biologisia esteitä, kuten veri–aivo-esteen.
Toistaiseksi nanohiukkasten turvallisuudesta tiedetään vain vähän, joten asiaa pitää tutkia huolellisesti.
– Ihminen on kuitenkin aina elänyt nanohiukkasten kanssa ja altistunut niille lähinnä hengitysilmankautta. Uusista nanotekniikkaa hyödyntävistä tuotteista todennäköisyys altistua nanohiukkasille on pieniverrattuna hengitysaltistukseen. Ei ole kiistattomia tieteellisiä perusteita sille, että nanotekniikka lisäisi merkittävästi ihmisen altistusta, Kauppinen toteaa.
Nanotekniikkaa hyödynnetään myös muun muassa kehitettäessä entistä puhtaampia energiantuottotapoja ja liikennevälineitä sekä uusia täsmälääkkeitä.
Termistöä ja terveyttä
Nanoteknologiaan liittyviä standardeja työstetään eurooppalaisten ja maailmanlaajuistenstandardointijärjestöjen, CENin, ISOn ja IEC:n, komiteoissa. Nanoteknologiaan liittyvä standardointi keskittyy seuraaviin aihealueisiin:
- terminologia ja nimikkeistö
- metrologia ja instrumentointi
- testimetodit
- mallinnus ja simulaatiot
- terveys-, turvallisuus- ja ympäristönäkökohdat
Standardit kehityksen pohjana
Standardointia tarvitaan, jotta nanoteknologiatutkimus ja tuotteidenkehitys voi jatkua ja niiden mahdollisuudet hyödyntää. Näin luodaan yhteismitalliset markkinat uusille nanotuotteille. Samalla hälvennetään nanoteknologiaan liittyviä huolia ja pelkoja.
Standardoinnin pitää kattaa materiaalientodentaminen sekä turvallisen tuotannon menetelmät ja ohjeistus.
Teollisuus ja yhteiskunta tarvitsevat luotettavia kvantitatiivisia karakterisointimenetelmiä ja mittaustekniikoita, joihin tulevaisuuden tuotteiden ja palvelujen luotettavuus ja kilpailukykyperustuvat.
ISO / TC 229 -komitea on jo laatinut lähes 50 kansainvälistä julkaisua.
Standardien aiheet vaihtelevat yksiseinäisen nanoputken karakterisoinnista nanoteknologiaan liittyviin terveys- ja turvallisuuskäytäntöihin työympäristössä ja materiaalien riskiarvioinnista ohjeisiin käyttöturvallisuustiedotteidenlaadinnasta.
Standardit helpottavat teknologiansiirtymistä laboratorioista markkinoille. Siirtymistä helpottaa vielä enemmän valmisteilla oleva, maallikoille tarkoitettu standardi, joka tulee olemaan selväkielinen opas nanoteknologiaan.
Julkaistu Presiis-lehden numerossa 2/2016.
Teksti: Anne Hänninen