Ajankohtaista

Graphene research

Parempia komposiitteja grafeenilla

13.08.2012

Viime vuosikymmeninä on kehitetty suuri joukko uudenlaisia materiaaleja, jotka mahdollistavat uusien tuotteiden kehittämisen tai parantavat vanhojen tuotteiden ominaisuuksia. Tämä kehitys jatkuu voimakkaana edelleen. Komposiitti- eli yhdistelmämateriaalit valmistetaan yhdistämällä keskenään kahta tai useampaa materiaalia, jolloin syntyvälle komposiitille saadaan halutunlaisia ominaisuuksia. Grafeeni, eli hiiliatomeista muodostunut yhden atomikerroksen paksuinen verkkorakenne, on ohuin mahdollinen materiaali, jonka löytäminen vuonna 2004 toi Andre Geimille ja Konstantin Novoseloville vuoden 2010 fysiikan Nobel-palkinnon. Grafeeniin liittyvien tutkimusten määrä on kasvanut räjähdysmäisesti, ja yksi osa-alue on grafeenin käyttö komposiittimateriaalina. Tätä tutkimusta tehdään myös Aalto-yliopiston biotekniikan ja kemian tekniikan laitoksella.

Post docit voimavarana

Laitoksella post doc -tutkijana puolentoista vuoden ajan toiminut Nguyen Dang Luong on tutkinut polyimidin ja grafeenin muodostaman komposiitin valmistusta ja ominaisuuksia. Ensimmäiset tulokset julkaistiin viime lokakuussa Polymer-lehdessä, ja artikkeli oli pian ilmestyttyään lehden verkkoversion viidenneksi luetuin.

Professori Jukka Seppälä kertoo, että osaston saamaa Aallon tutkimuksen arvioinnin bonusrahoitusta on käytetty post doc -tutkijoiden palkkaamiseen. "He tuovat mukanaan uutta tietotaitoa ja heillä on positiivinen vaikutus sekä saavutettaviin tuloksiin että osaston muihin tutkijoihin", toteaa Seppälä. Tohtori Luongin suhteellisen lyhyessä ajassa saavuttamat merkittävät tulokset vahvistavat osaltaan Seppälän arvion.

Komposiitin valmistaminen

Polyimidi on elektroniikkateollisuudessa yleisesti käytetty kapselointimateriaali. Tämä polymeeri on sähköinen eriste ja lisäksi sen ominaisuuksiin kuuluvat hyvä terminen stabiilisuus ja hyvät mekaaniset ominaisuudet. Eristeominaisuudesta voi kuitenkin olla haittaa, sillä eriste voi kerätä staattista varausta, joka puolestaan voi vahingoittaa elektroniikkaa. Riittävä, muttei liian suuri johtokyky on siten tavoiteltava ominaisuus polyimidille, kuitenkin niin etteivät sen muut hyvät ominaisuudet heikkene.

Luongin tutkimuksen lähtökohtana oli löytää tapa, jolla päällekkäisistä grafeenitasoista koostuva lähtöaine grafiitti saadaan epäorgaanisiin ja orgaanisiin liuottimiin liukenevaksi. "Grafiitti pitää ensin muuntaa reaktiivisemmaksi grafiittioksidiksi, jota tämän jälkeen käsitellään etyyli-isosyanaatilla, jolloin saadaan aikaan liukeneva isosyanaatti-grafiittioksidi -yhdistelmä (iGO)", kuvaa Nguyen Luong menetelmän keskeistä vaihetta.

Tämän jälkeen suoritetaan polyimidin synteesi iGO:n läsnäollessa. Saatu dispersio levitetään halutulle alustalle kalvoksi ja kuivataan. Tällöin saadaan aikaan noin kolmenkymmenen mikrometrin paksuinen kalvo, jossa tapahtuu osan useampikerroksisten iGO-hiutaleiden kuoriutuminen vastaaviksi yksitasoisiksi grafeenioksidiyhdistelmähiutaleiksi.

Parempia ominaisuuksia

Saatujen polyimidi-grafeenikomposiittien ominaisuuksia on testattu eri grafeenipitoisuuksilla. Pienilläkin pitoisuuksilla (0,38 – 0,75 painoprosenttia) saadaan aikaan merkittäviä parannuksia ominaisuuksissa. Näistä tärkein on sähköisen johtokyvyn nousu riittävän korkealle tasolle, jolla staattisiin varauksiin liittyvät ongelmat vältetään. Tarvittavasta pienestä grafeenilisäyksestä johtuu, että muodostava kalvo on kutakuinkin läpinäkyvä, ominaisuus jolle on käyttöä monissa sovelluksissa.

Myös mekaaniset ominaisuudet paranevat. Esimerkiksi vetolujuus on parempi kuin puhtaalla polyimidillä. "Grafeenihiutaleet jakaantuvat komposiitissa tasaisesti koko tilavuuteen ja hiutaleiden suuntautuminen on satunnaista", selittää Luong parempia arvoja. Lisäksi mittaukset viittaavat siihen, että grafeenin ja polymeerin välille muodostuu vahva kemiallinen eli kovalenttinen sidos, mikä olisi uusi löydös grafeenitutkimuksessa. Komposiitin jatkotutkimuksissa keskitytään pääosin sähköisiin ominaisuuksiin, jonka lisäksi myös materiaalin vanhenemisilmiöitä tutkitaan.

Komposiiteilla sovellusmahdollisuuksia

Professori Seppälän mukaan laitos keskittyy perustutkimukseen ja siinä uusien löytöjen tekemiseen, mutta: "toki pidämme samalla myös silmällä mahdollisia sovellusmahdollisuuksia sekä sopivan jatkokehittäjän löytämistä saaduille tuloksille."

Jos polyimidi-grafeenikomposiitti on kiinnostava elektroniikkateollisuudelle, niin laitoksella on myös tehty tutkimusta, joka kiinnostaa paperiteollisuutta. Kotimaisen puunjalostusteollisuuden voimakkaan mielenkiinnon ja tutkimuksen kohteena on mikrofibrillaarinen selluloosa. Se on selluloosan johdannainen, jossa sellun rakenne hajotetaan nanotasolle asti.

Laitoksella on ensimmäisenä valmistettu erilaisia nanoselluloosa-grafeenikomposiitteja, joiden avulla saadaan tavallista paperia merkittävästi vahvempaa paperia, joka voi samalla olla myös sähkönjohtavaa. Tällaisia korkean jalostusasteen mahdollistavia tuoteinnovaatioita puunjalostusteollisuutemme kipeästi kaipaa.

 

Teksti: Jari Koponen, kuva: Adolfo Vera

Takaisin