Uudet opiskelijat otettiin vastaan Kemian tekniikan korkeakoulussa. Dekaani Janne Laine esittäytyi opiskelijoille ja toivotti heidät lämpimästi tervetulleeksi.

Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu oli valtakunnallisesti selvästi suosituin kemian ja kemiantekniikan alan hakukohde. Yhteensä koulutusohjelmaan oli 591 hakijaa, joista 363 oli miehiä ja 228 naisia. Uusia opiskelijoita aloittaa noin 120.

Kysyttäessä lähes kaikki kertoivat haluavansa valmistua diplomi-insinööriksi.

Dekaani esitteli lyhyesti myös DI-pääaineet, joita korkeakolussa on seitsemän. Lisäksi on yksi yhteinen pääaine Perustieteiden korkeakoulun kanssa. Dekaani kertoi myös miten pääaineet liittyvät toisiinsa sekä korkeakoulun tutkimukseen.

Kemian tekniikan korkeakoulu tekee tiiviistä yritysyhteistyöstä. Dekaani nosti esille mahdollisuuden yhdistää opintoihin yrittäjyysteemaa. Noin viidesosa opiskelijoista sanoi olevansa kiinnostunut yrittämisestä tulevaisuudessa, kun heiltä kysyttiin asiaa.

Opetuksesta vastaava dekaani Tapani Vuorinen toivotti myös opiskelijat tervetulleiksi. Hän kiinniti huomiota lukio- ja yliopisto-opiskelun erilaisuuteen: yliopisto tarjoaa paljon mahdollisuuksia ja vapautta valita, mutta asettaa myös haasteita oman osallistumisen suhteen. Vaikka työmäärä onkin suuri, se ei ole ylimitoitettu. Yliopisto käyttää laajasti opiskelijoita innostavia opetusmenetelmiä, kuten laboratoriotöitä.

Kuvat: Anna-Kaisa Varjus.

Polyelektrolyyttikalvo muodostuu vastakkaisvarauksisten polymeerien kasautuessa vesiliuoksessa. Niillä on jo kauan tiedetty olevan epätavallinen terminen eli lämpötilariippuva rakennemuutos, joka ilmenee lämpötilan noustessa kalvon äkillisenä, voimakkaana pehmenemisenä ja polymeerien diffuusion samanaikaisena selkeänä nopeutumisena. Kyseistä rakennemuutosta hyödynnetään muun muassa älykkäissä responsiivisissa pinnotteissa ja suodatinkalvoissa materiaalitieteen energiasovellutuksissa ja biotekniikassa esimerkiksi lääkekuljetuskapseleissa. Paremman käsitteen puuttuessa tätä rakennemuutosta on kutsuttu lasitransitioksi.

Aalto-yliopiston kemian laitoksen tutkijat ovat vastikään julkaistussa tutkimuksessaan pystyneet ensimmäistä kertaa päättelemään tämän muutoksen taustalla olevan mekanismin yhdistämällä tietokonesimulaatioista ja niitä tukevista kokeellisista mittauksista saadun tiedon.

Kaaviokuva veden merkityksestä polyelektrolyyttikalvojen lämpötilatransitiossa, jossa kalvo muuttuu transitiolämpötilassa lasimaisesta kumimaiseksi lämpötilan noustessa. Nyt julkaistussa tutkimustyössä havaittiin, että transitiolämpötilassa veden muodostamien vetysidosten elinikä ja niiden määrä laskevat; vesi ei liuota polyelektrolyytteja yhtä hyvin kuin transitiolämpötilan alapuolella. Kuva Maria Sammalkorpi

Akatemiatutkija Maria Sammalkorven tutkimusryhmän työ osoittaa, että rakennemuutoksen aiheuttaa dehydraatio, eli se on seurausta veden sitoutumisen huononemisesta materiaalissa transitiolämpötilassa. Tulokset ovat merkittäviä, koska ne kumoavat aiemmin vallalla olleen käsityksen, että transitio liittyisi muutokseen polyelektrolyyttien välisissä ionipareissa. Lisäksi havaittu dehydraatiomekanismi on ensimmäinen osoitus niin kutsutun alimman kriittisen liukenemislämpötilan transitiomekanismin eli LCST-mekanismin esiintymisestä polyelektrolyyttirakenteissa. Nyt julkaistut tutkimustyön tulokset osoittavat, että vesi-polyelektrolyyttivuorovaikutus on keskeinen fokusalue polyelektrolyyttipohjaisen materiaalin ominaisuuksia suunniteltaessa.

Tutkimustulokset julkaistiin hiljattain ACS Macro Letters -lehdessä. Tutkimustyö on osa NSF Materials World Network -yhteistyöprojektia ja sen ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja NSF, Yhdysvallat. Tutkimuksen vastuullinen johtaja Aalto-yliopistossa on Maria Sammalkorpi (maria.sammalkorpi(at)aalto.fi) ja Yhdysvalloissa Jodie Lutkenhaus, Texas A&M University, TX, USA (jodie.lutkenhaus(at)tamu.edu).

Lisätiedot:

Akatemiatutkija Maria Sammalkorpi, kemian laitos, Aalto-yliopiston kemiantekniikan korkeakoulu; email: maria.sammalkorpi(at)aalto.fi
Alkuperäinen tieteellinen artikkeli: Erol Yildirim, Yanpu Zhang, Jodie L. Lutkenhaus, and Maria Sammalkorpi, “Thermal Transitions in Polyelectrolyte Assemblies Occur via a Dehydration Mechanism“ ACS Macro Letters, 2015, 4, pp 1017–1021.

Tutkimusryhmä: http://chemistry.aalto.fi/en/research/novelmaterials/moreabout/
 

Laura Elomaa opiskeli Otaniemessä aluksi bioinformaatioteknologiaa. Kolmen Aalto-yliopiston korkeakoulun – perustieteiden, sähkötekniikan ja kemian tekniikan – yhteinen ohjelma on vahvasti poikkitieteellinen. Bioinformaatioteknologian opinnoissa Laura perehtyi elävän kudoksen mekanismeihin. Opintoihin sisältyi kemian ja biotieteiden lisäksi runsaasti fysiikkaa, matematiikka ja jonkin verran koodausta.

Kolmantena opiskeluvuotena Laura teki kandidaatin tutkinnon polymeeriteknologiasta aiheenaan älykkäät biohajoavat lääkevapautussysteemit. Polymeerit materiaalina olivat kiinnostaneet häntä jo peruskoulussa, ja nyt niiden käyttö bio- ja lääketieteen sovelluksissa herätti erityisesti hänen mielenkiintonsa.
 

3D-tulostaminen vei Hollantiin
 

Juuri ennen diplomityönsä aloittamista vuonna 2009 Laura ajatteli hakea opiskelijavaihtoon Hollantiin, jossa oli tuolloin mahdollista tulostaa kudostukirakenteita 3D-printterillä. Diplomityön aihe liittyi biohajoavien polymeerien käyttöön kudosteknologiassa. Diplomityön tuloksena julkaistiin myös hänen ensimmäinen tieteellinen artikkelinsa. Laura palasi Suomeen viimeistelemän lopputyötään ja valmistui diplomi-insinööriksi. Hän työskenteli kemian tekniikan laitoksella tuntiapulaisena, sai tutkijakoulupaikan ja ryhtyi tekemään väitöskirjaa.
 

Skype-haastattelu Stanfordiin
 

Väitöskirjaa tehdessään Laura huomasi, että haluaisi liittää mallintamiinsa kudostukirakenteisiin myös soluja. Se ei ollut mahdollista Aalto-yliopistossa, joten hän lähestyi Stanfordin yliopiston lääketieteen laitoksen professoria sähköpostilla. Sieltä vastattiin hänelle jo seuraavana päivänä ja pyydettiin skype-haastatteluun.

Laura lähti vuoden 2013 alussa jatkamaan väitöskirjaansa Stanfordin yliopistoon, Kaliforniaan. Hän työskenteli siellä yliopiston lääketieteellisen laitoksen ortopedisen kirurgian osastolla yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa vuoden 2015 maaliskuun loppuun saakka. Ulkomaisessa huippuyliopistossa opiskelu on kallista, mutta rahoitusta voi Suomessa hakea säätiöiltä. Lauran mielestä rahoitusta oli hyvin tarjolla, mutta sitä täytyy itse hakea ja olla aktiivinen.

Lääketieteellisen korkeakoulun laboratoriossa työskenteli monen eri alan tutkijoita - kuten biologeja, kemistejä, koneinsinöörejä ja kirurgeja. Heitä yhdisti työskentely kudostekniikan parissa. Lauran työ oli pääosin hyvin itsenäistä, mutta ohjaava professori oli hyvin aktiivinen ja kysyi työstä säännöllisesti.

Tutkimustyössään Laura syntetisoi uusia biohajoavia polymeerejä, 3D-tulosti niistä kudostukirakenteita ja tutki niiden soluyhteensopivuutta. Hän mallinsi tietokoneohjelmalla 3D-kudosrakenteita ja tutki muun muassa niiden verisuonitusta. Suunnitellessaan uutta tulostettavaa kudostukirakennetta hän mietti muun muassa miten huokoinen ja minkä muotoinen kohdekudos on ja millainen sen solutyyppi on. 3D-tulostusta varten hän syntetisoi sekä mekaanisesti vahvempia polymeerejä että vesiliukoisia pehmeitä hydrogeelipolymeerejä, joihin hän yhdisti soluja tulostusvaiheessa.
 

Intohimoa esittelyyn!
 

Laboratoriossa tutkijat esittelivät työtään viikottaisissa palavereissa. Lauran kokemusoli, että Stanfordissa tutkiminen oli dynaamista: siellä ideoitiin lennokkaasti ja rohkeasti, eikä pelätty epäonnistumista. Sivupolkujakin tuli, valtavasti ideoita, kokeiluja ja nopeaa testausta. Niiden kautta kuitenkin avautui myös mahdollisuuksia ja apua sai heti tarvittaessa ja joku aina neuvoi.

–  Suunnitelmat olivat käytännönläheisiä. Mietittiin, miten hoidamme potilaita paremmin, millainen sovellus olisi tarpeellinen ja miten tutkimusta voidaan hyödyntää todellisissa lääketieteen ongelmakohdissa. USA:ssa painotetaan käyttökelpoisten sovellusten tärkeyttä jo väitöskirjantekijällekin.

Laura Elomaa on jo lähellä jatko-opintojen valmistumista. Väitöskirja ”Biohajoavien valosilloitettavien polymeerien synteesi kudosteknologian tukirakenteiden ja hydrogeelien 3D-valmistukseen stereolitografialla” on hyväksytty julkaistavaksi Kemian tekniikan korkeakoulussa. Tulevaisuudessa Laura on ajatellut syventää ymmärrystään polymeerien ja kudoksen vuorovaikutuksesta sekä laajentaa osaamistaan tutkimustulosten kaupallistamisessa.

Julkaistut artikkelit ja sitaatioiden määrä löytyvät verkosta:
http://www.researchgate.net/profile/Laura_Elomaa/info

HAKUILMOITUS

Toimitusjohtaja Tapani Järvisen ympäristöteknologiarahasto
Aalto -yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu julistaa haettavaksi Tapani Järvisen ympäristöteknologiarahastosta 10.000 euron suuruisen apurahan.

Apuraha myönnetään ansioituneelle ympäristöteknologian osaajalle tutkimus- ja kehitystyöhön. Apurahan tarkoituksena on edistää teollisuuden ympäristöteknologian tutkimusta ja tutkimustulosten hyödyntämistä teknologiatuotteina ja -palveluina.

Vapaamuotoinen hakemus toimitetaan rahaston asiamiehelle viimeistään 7.12.2015 klo 16:00 ensisijaisesti sähköpostilla (pdf-tiedostoina) osoitteeseen pirjo.muukkonen@aalto.fi viestiin viitteeksi Tj. Järvisen rahasto tai postitse osoitteella Aalto -yliopisto, Kemian tekniikan korkeakoulu, Pirjo Muukkonen, PL 16 100, 00076 Aalto ja kuoreen merkintä Tj. Järvisen rahasto.

Hakemuksesta tulee käydä ilmi hakijan henkilötiedot ja apurahan käyttösuunnitelma (tutkimussuunnitelma max 2xA4) ja sen liitteenä tulee olla hakijan CV julkaisuluetteloineen.

Lisätietoja antaa rahaston asiamies controller Pirjo Muukkonen, puh. 050-344 2645, pirjo.muukkonen@aalto.fi.

Aalto-yliopiston tutkijat esittelevät juuri julkaistussa Trends in Biotechnology -lehdessä käyttökelpoisimmat menetelmät, joilla DNA-molekyyleistä voidaan rakentaa monimutkaisia rakenteita erilaisia bioteknologisia sovelluksia varten.  Katsausartikkeli osoittaa, kuinka DNA-rakenteiden monipuoliset ominaisuudet avaavat erinomaisen mahdollisuuden valmistaa tehokkaita biologisia DNA-pohjaisia nanokoneita ja siten aivan uudenlaisia lääkehoitoja esimerkiksi syöpää vastaan. Tarkasti räätälöidyt rakenteet voisivat tunnistaa tietyt solut ja vapauttaa lääke- tai vasta-aineet vain ja ainoastaan kyseisiin soluihin.

Virusproteiineilla päällystetty DNA-origamirakenne. Proteiinikapseloinnin ansiosta origami voidaan kuljettaa tehokkaammin solujen sisään. Kuva: Veikko Linko ja Mauri Kostiainen

”Käytännössä suunnittelu- ja simulaatiomenetelmät sekä tietokoneohjelmat ovat jo nyt niin kehittyneitä, että tutkijat ympäri maailmaa voivat helposti rakentaa haluamiaan nanorakenteita synteettisestä DNA:sta mitä erilaisimpiin käyttötarkoituksiin. Kimmokkeena rakenteellisen DNA-nanoteknologian valtavan nopeaan kehittymiseen viime vuosina on ollut Paul Rothemundin kehittämä DNA-origami-tekniikka, joka on perustana lähes kaikille suoraviivaisille rakennusmenetelmille”, kertoo akatemiatutkijatohtorina biohybridimateriaalit-ryhmässä työskentelevä Veikko Linko.

DNA-nanorakenteista on moneksi

DNA-rakenteiden oleellisin ominaisuus on niiden helppo muokattavuus. Rakenteet voidaan valmistaa nanometrin tarkkuudella, ja samalla tarkkuudella niihin voidaan kiinnittää myös muita molekyylejä kuten RNA:ta, proteiineja, peptidejä ja lääkeainemolekyylejä. Menetelmää voidaan hyödyntää myös valmistettaessa nanokoon optisia laitteita sekä mittastandardeja ja molekyylialustoja erilaisten analyysimenetelmien tarpeisiin. Näiden sovellusten lisäksi Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat yhteistyössä äskettäin osoittaneet, kuinka DNA-origameja voidaan käyttää myös erimuotoisten metallisten nanopartikkeleiden tehokkaassa valmistuksessa materiaaliteknisiä sovelluksia varten.

Lääketieteen kannalta aktiivisia DNA-nanokoneita voidaan käyttää paitsi yksittäisten molekyylien havaitsemisessa, myös solujen signalointijärjestelmien muokkaamisessa. Hienostuneilla DNA-roboteilla voitaisiin lähitulevaisuudessa jopa muokata ihmisen immuunijärjestelmää. Verenkiertoon injektoitava, DNA-koneisiin pohjautuva järjestelmä voisi siten vähentää turhia lääkekuureja, sillä DNA-robotit voisivat tunnistaa taudinaiheuttajat jo pieninä pitoisuuksina ja ryhtyä ohjelmoidusti puolustustoimiin näitä vastaan.

Mullistavia tapoja valmistaa nanomateriaaleja

Professori Mauri Kostiaisen johtama tutkijaryhmä työskentelee tiiviisti DNA-nanorakenteiden parissa, ja ryhmä on julkaissut hiljattain myös kaksi tutkimusartikkelia niiden käytöstä lääketieteellisissä ja biologisissa sovelluksissa. Tutkijat ovat onnistuneet päällystämään DNA-rakenteet virusproteiineilla ja näin helpottamaan rakenteiden pääsyä ihmissoluihin esimerkiksi tehokkaampien lääkehoitojen mahdollistamiseksi. Lisäksi tutkijat ovat valmistaneet DNA-rakenteista nanokokoisen entsymaattisen reaktorin, jota voidaan käyttää molekyylien havaitsemisessa solutasolla.

Linkki Trends in Biotechnology -lehden artikkeliin:

V. Linko, A. Ora, M. A. Kostiainen, "DNA Nanostructures as Smart Drug-Delivery Vehicles and Molecular Devices." Trends in Biotechnology 33 (10), 586, 2015.

Lisätiedot:

Akatemiatutkijatohtori Veikko Linko
Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
puh. 050 408 1810
veikko.linko@aalto.fi

Professori Mauri A. Kostiainen
Biohybrid Materials -ryhmän johtaja
Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
puh. 050 362 7070
mauri.kostiainen@aalto.fi

Tutkimusryhmän sivut

Aalto-yliopiston sijoitukset paranivat National Taiwan University (NTU) yliopiston rankingissa. Vertailu perustuu Thomson Reutersin Web of Science -tietokannan sisältämiin tutkimustoiminnan julkaisu- ja viittaustietoihin painottaen kahden viimeisimmän vuoden tietoja.

NTU-rankingissa listataan tieteenaloja ja niiden erityisalueita. Tekniikan alan rankingissa Aalto-yliopiston sijoitus oli 125, edellisenä vuonna se oli 143. Tekniikan ala jakautuu edelleen erityisalueiden vertailuihin, ja niissä kaikissa Aalto oli paras yliopisto Suomessa. Parhaiten sijoittui kemiantekniikka sijalle 95. Tietotekniikka oli 116. sijalla, ja Aalto oli tämän alueen paras pohjoismainen yliopisto. Materiaalitieteet oli 125:nnellä ja konetekniikka 144. sijalla. Luonnontieteiden alan alakohtaisessa rankingissa Aalto-yliopiston fysiikka sijoittui sijalle 174.

NTU:n yleisrankingissa Aalto-yliopisto oli sijalla 365. NTU-rankingia on julkaistu vuodesta 2007 alkaen.

Maailmassa on laskutavasta riippuen noin 17 000–22 000 yliopistoa. Aalto-yliopisto on erikoistunut tekniikkaan, talouteen ja taiteeseen, ja yritysyhteistyö on yliopistolle tärkeää. Ala- tai aihekohtaiset rankingit kuvaavat yliopiston toiminta-alueita yleisrankingeja paremmin.

Lisätietoja:

NTU Ranking -verkkosivut

The European Paper Recycling Council palkitsi 14.10. Aalto-yliopiston puunjalostustekniikan laitoksen tutkijat uuden tekstiilikuidun kehräystekniikan kehittämisestä. Ioncell-F-prosessi perustuu ionisen nesteen (nestemäinen suola) kykyyn liuottaa selluloosapitoista jätemateriaalia, ilman myrkyllisiä lisäkemikaaleja. Tämän jälkeen liuennut selluloosa kehrätään kuiduiksi, joista voidaan tehdä tekstiilejä ja vaatteita.

Näytekankaat on valmistanut Taiteiden ja suunnittelun korkeakoulun muotoilun laitoksen Marjaana Tanttu ja VTT on kehittänyt ja toteuttanut kierrätyspaperin ja -kartongin esikäsittelymenetelmät.

Keskellä (vasemmalta): Puunjalostustekniikan laitoksen professori Herbert Sixta, Yibo Ma ja tutkijatohtori Michael Hummel.

http://puu.aalto.fi
https://www.facebook.com/AaltoCHEM
http://www.paperrecovery.org/

Valokuva: Jan Van de Vel.

Tekniikan päivillä paneudutaan tänä syksynä digitaaliseen murrokseen: tiedon digitalisoitumisen myötä teknologia tulee jatkuvasti uusilla tavoilla ihmisten arkeen. Ohjelmassa pureudutaan erityisesti big dataan, eli suurten tietomassojen hallintaan ja hyödyntämiseen meistä jokaisen elämässä. Asiantuntijapuheenvuoroissa ja kokemuksellisissa työpajoissa kuullaan ja nähdään muun muassa, millaista on uusi digitaalinen terveysteknologia, miten älytalo huolehtii asukkaistaan ja miten pilvipalvelujen tietoturvaa voidaan parantaa.

Lapsille ja nuorille paljon ohjelmaa

Tekniikan päivät -tapahtuma on suunnattu kaikille ja kaikenikäisille. Tänä vuonna ohjelmassa on runsaasti tarjontaa erityisesti lapsille ja nuorille, jotka pääsevät kokeilemaan erilaisia teknologioita työpajoissa ja tiedenäytöksissä. Yleisö ja tieteen tekijät kohtaavat Tekniikan torilla, jossa tekniikkaan pääsee itse käsiksi. Tekniikan torilla on muun muassa:

Digivaalit 2015: miten tietotekniikkaa käytetään poliittisen osallistumisen tutkimukseen ja pohtimaan kanssamme omaa yhteiskunnallista kysymystäsi. Paikalla ovat vastaamassa Tietotekniikan tutkimuslaitos HIITin sekä Viestinnän tutkimuskeskus CRC tutkijat sekä vaaleista kerätty iso aineistoklöntti.

Linkin koodikoulu, drop in -työpaja ja ohjelmointityöpaja: Linkki tarjoaa ohjelmoinnin drop in -työpajan sekä ohjelmointityöpajan, jossa koodataan erilaisia pelejä.

Lego-ohjelmointia: FLL on maailman suurin robottiohjelmointikilpailu. FLL-pelipöydällä pääset ohjelmoimaan, suunnittelemaan ja rakentamaan legorobotteja.

Etäläsnäolo kuulon ja näön avulla: Demoon on tallennettu luonnollisia ympäristöjä (konsertti, liikenne, sählymatsi) joka suunnan tallentavalla kameralla ja mikrofonilla. Laita kuulokkeet ja virtuaalilasit päähäsi ja olet paikan päällä äänekkäässä maisemassa – mutta ilman, että olet oikeasti paikalla. Demossa käytetty äänitekniikka on kehitetty Aalto-yliopistossa  — Directional Audio Coding (DirAC).

DeepBeat - koneoppiva rap-lyriikkageneraattori: tule tekemään oma rap-sanoituksesi DeepBeat-ohjelmalla.

Hal-potilassimulaattori: Hal, eli kavereiden kesken Hallikainen, on potilassimulaattori, johon pääsee tutustumaan mm. elvyttämisen ja elintoimintojen tarkastelun muodossa.

Aikuisten iltaohjelmana Tekniikan päivät tarjoaa ScienceSlam-tiedemittelön perjantaina 6.11. ScienceSlamissa tiede on hulvattoman hauskaa, sillä tieteentekijät esittelevät omaa tutkimustaan stand up -henkisesti baarimiljöössä. Esitystapa on vapaa – mutta takuulla viihdyttävä.

Puhujina asiantuntijoita Aalto-yliopistosta

Aalto-yliopiston asiantuntijat kertovat muun muassa satelliiteista, big datasta ja älytaloista. Tässä poimintoja ohjelmasta:

• Professori Kary Främling: Asukkaistaan huolehtivat älytalot Lue lisää
• Professori Jaan Praks: Tietoa Maasta pienillä satelliiteilla
• Professori Jukka K. Nurminen: Big Data ja energia
• Professori Samuel Kaski: Data-analyysillä yksilöllistettyä lääketiedettä
• Professori Martti Mäntylä: Intro Koneiden internet -sessiossa Lue lisää
• Tutkija Kai Kuikkaniemi: MyData – tietosi omassa hallussasi Lue lisää
• Professori Antti Oulasvirta: Voiko tietokone suunnitella mahtavia käyttöliittymiä?

Tekniikan päivien päätapahtumapaikkana oli tänä vuonna Tampere, jossa maksuton ja yleisölle avoin tiedetapahtuma järjestettiin 22.–24.10. Tekniikan päivät järjestää yhteistyössä Tekniikan Akatemia TAF:n kanssa: Aalto-yliopisto, Ammattikorkeakoulu Arcada, Helsingin yliopisto, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Laurea-ammattikorkeakoulu, Metropolia Ammattikorkeakoulu, Oulun yliopisto, Tampereen teknillinen yliopisto, Turun ammattikorkeakoulu, Turun yliopisto, Åbo Akademi.

Lue lisää Tekniikan päivistä ja tule tiedon valoon!

Tulostamalla kankaalle voidaan luoda uudenlaisia tekstiilirakenteita.

Jo nyt selluloosaa käytetään perinteisen paperi- ja pakkausteollisuuden lisäksi teknisissä tekstiileissä, vaatetuksessa ja elintarviketeollisuudessa. Meneillään oleva materiaalikehitys ja uudet valmistusmenetelmät, kuten 3D-tulostus monipuolistavat tulevaisuudessa sellun käyttöä entisestään.

”Uusi teknologia, kuten 3D-tekniikka yhdistettynä selluloosalle tyypillisiin ominaisuuksiin avaa
ennennäkemättömiä mahdollisuuksia”, sanoo Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Jukka Seppälä, joka osallistuu työryhmineen perinteiselle sellulle uusia käyttösovelluksia etsivään DWoC- tutkimusprojektiin.

”Olemme kehittäneet useita selluloosaa merkittävästi sisältäviä polymeerimateriaaleja, joita voidaan työstää monin eri tavoin. Jatkossa haluamme hyödyntää niiden ominaisuuksia täysimääräisesti ja valmistaa prototyyppejä lopullisten läpimurtojen pohjaksi” Seppälä kertoo.

Vuonna 2013 käynnistyneen monialaisen DWoC Design Driven Value Chains in the World of Cellulose -projektin ensimmäisessä vaiheessa sellusta onnistuttiin tulostamaan lankamaista filamenttia ja kovia kappaleita. Lisäksi testattiin selluloosan tulostamista tekstiilille. ”Tulostamalla valmiiseen kankaaseen voitaisiin lisätä toiminnallisia ominaisuuksia ja hyödyntää näin perinteistä ja uutta teknologiaa” toteaa hankkeen muotoiluosuutta vetävä tekstiilisuunnittelija Pirjo Kääriäinen.

Selluloosasta 3D-tulostettuja rakenteita

”Tekstiileissä uudet puupohjaiset kuitumateriaalit laajentavat käytettävyyttä ja vähentävät ympäristöä kuormittavan puuvillan ja öljypohjaisen polyesterin käyttöä. Tässä osana ovat Aallon kehittämät selluloosaa sisältävät polymeerimateriaalit”, sanoo professori Ali Harlin VTT:ltä.

Jatkossa tavoitteena onkin kehittää lisää selluloosapohjaisia kuitumateriaaleja, jotka ovat
ominaisuuksiltaan, ympäristöarvoiltaan ja kustannuksiltaan kilpailukykyisiä nykyisiin materiaaleihin verrattuna. Kehitystyössä ovat mukana VTT ja Tampereen teknillisen yliopiston tutkijatiimi.

Vain mielikuvitus rajana uusille sovelluksille

Professori Seppälä ja VTT:n erikoistutkija Hannes Orelma kertovat, että selluloosamateriaalien
tulostaminen edellyttää muoveihin verrattuna erilaista tekniikkaa.

”Kaupalliset 3D-tulostimet eivät sellaisenaan sovellu luonnon selluloosamateriaalien tulostamiseen, sillä selluloosapohjaisille tuotteille on ominaista, että niitä ei pysty lämmön avulla sulattamaan tulostettavaksi tavanomaisilla 3D-tulostimilla. Lisäksi tulostetut kappaleet kutistuvat kuivuessaan. Pyrimmekin mahdollisimman korkeisiin kuiva-ainepitoisuuksiin ja modifioituihin selluloosalaatuihin, jotta saamme kutistumisen ja muut ominaisuudet hallintaan”, Orelma sanoo.

”Selluloosaa sisältävät luonnonmateriaalit ovat tulevaisuuden raaka-aineita ja tarkoituksena on kehittää niistä materiaaleja, jotka soveltuvat luontevasti 3D-tulostamiseen. Sen jälkeen vain mielikuvitus on rajana uusille sovelluksille”, Orelma jatkaa.

Uusiutuvaksi raaka-aineeksi luokitellulla selluloosalle voidaan korvata fossiilisia raaka-aineita esimerkiksi tekstiilituotteissa, sisustamisessa ja rakennusten materiaaleissa. Täysin uudenlaisia selluloosan käyttökohteita löytyy lisäksi terveyden ja hyvinvoinnin aloilla.

Sellun 3D-työstämisessä kaksi menetelmää

Aalto-yliopiston koneenrakennustekniikan professori Jouni Partasen työryhmä osallistuu DWoC-hankkeeseen kehittämällä erityisesti sellulle soveltuvaa tulostusteknologiaa. Tällä hetkellä käytössä on kaksi erilaista menetelmää: suuttimessa tapahtuvaan sulamiseen perustuva FDA-menetelmä Fused Deposition Modelling ja kerros kerrokselta valon avulla tapahtuva kovetukseen perustuva stereolitografia.

Selluloosapohjaisen materiaalin suoratulostus tekstiilille.

DWoC- tutkimusprojektin tuloksia esitellään Metsämessujen Tulevaisuuden torilla Helsingissä 6.-8.11.2015.

Kuvat: Eeva Suorlahti ja Minttu Somervuori

Lisätietoja:
Designer in Residence Pirjo Kääriäinen
Aalto-yliopisto
puh. 050 3810 217
pirjo.kaariainen@aalto.fi

Akatemiaprofessori Jukka Seppälä
Aalto-yliopisto
puh. 0400 701 142
jukka.seppala@aalto.fi

Erikoistutkija Hannes Orelma
Teknologian tutkimuskeskus VTT
puh. 040 3543 143
hannes.orelma@vtt.fi

Tutkimusprofessori Ali Harlin
Teknologian tutkimuskeskus VTT
puh. 040 5332 179
ali.harlin@vtt.fi

DWoC Design Driven Value Chains in the World of Cellulose on monialainen, Tekesin rahoittama strateginen tutkimusprojekti, jossa etsitään selluloosalle uusia muotoilua hyödyntäviä sovelluksia. Tutkimushankkeeseen osallistuvat Teknologian tutkimuskeskus VTT, Aalto-yliopisto, Tampereen teknillinen yliopisto ja Vaasan yliopisto. Projektin erityispiirteenä on muotoilijoiden, arkkitehtien, liiketoimintaosaajien ja materiaalitutkijoiden tiivis yhteistyö. DWoC-projektin tavoitteena on lisätä selluloosan käyttöä korkean lisäarvon tuotteissa ja luoda Suomeen uusi biomateriaaleihin
perustuva ekosysteemi vahvistamalla toimialojen välistä yhteistyötä.
 

Aalto-yliopiston fysikaalisen kemian tutkimusryhmän FinnFlo-hanke on saanut 432 00 euron rahoituksen Tekesin Tutkimuksesta uutta tietoa ja liiketoimintaa -ohjelmasta.  Uudentyyppistä akkuteknologiaa, jota voidaan kutsua kuparivirtausakuksi. Kuparivirtausakussa sähkö varastoituu grafiittielektrodeille pinnoitettavana kuparina sekä elektrolyyttiliuoksessa olevina kupari-ioneina. Elektrolyyttinä käytetään kupari- ja kalsiumkloridisuoloja suolahappoon liuotettuna.

Akku muodostuu grafiittilevyreaktorista, ulkoisista elektrolyyttisäiliöistä, pumpuista, joilla elektrolyyttiä kierrätetään reaktorin ja säiliöiden välillä sekä elektroniikasta, jolla akun tilaa valvotaan ja ohjataan toimintaa.

FinnFlo – Kiinteä energiavarasto -projektitiimin tavoitteena on skaalata teknologia laboratoriomittakaavasta kenttäkokeiden vaatimalle tasolle. Lisäksi tiimi haluaa löytää käyttökohteet ja asiakassegmentit, joihin teknologia parhaiten soveltuu ja joissa teknologia olisi ensi vaiheessa kaupallistettavissa. Myös akkujen tuotantoon tarvittavat alihankintaketjut on tarkoitus muodostaa.

Projektitiimiin kuuluvat David Lloyd, Pertti Kauranen ja Tuomas Vainikka.  David Lloyd on kokenut sähkökemisti, joka on pitkään työskennellyt uusiutuvien energioiden parissa ja startup-yrityksissä. Pertti Kauranen on kokenut materiaalitekniikan sekä akku- ja polttokennoteknologioiden asiantuntija, joka tuntee alan toimijoita raaka-ainetoimittajista energiavarastojärjestelmien suunnittelijoihin ja toteuttajiin. Tuomas Vainikka on sähkökemisti, joka hallitsee sekä instrumentoinnin että ohjelmistot.

Projekti alkoi 1.7.2015 ja kestää 18 kuukautta. Sen tuloksena valmistuu 1 kW prototyyppiakku, jonka avulla osoitetaan akuston suorituskyky ja käytettävyys.

Yhteystiedot:

David Lloyd, tutkijatohtori, fysikaalisen kemian tutkimusryhmä
David.Lloyd@aalto.fi
p. 045 78402492                                

Pertti Kauranen, asiantuntija, fysikaalinen kemia
Pertti.Kauranen@aalto.fi
p. 050 4619088

Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu, kemian laitos
http://chemistry.aalto.fi/fi/research/physical_chemistry_electrochemistry/
chem.aalto.fi

Tutkimusideoista uutta tietoa ja liiketoimintaa -projekteissa projektiryhmä valmistelee tutkimusidean kaupallistamista. Projektin aikana selvitetään mahdolliset hyödyntämispolut sekä lupaavin etenemisreitti ja -tapa. Lisäksi selvitetään idean hyödyntämistä perustettavien yritysten liiketoiminnassa tai sen kehittämistä uudeksi liiketoiminnaksi jo olemassa olevassa yrityksessä.

Tutkimusideoista uutta tietoa ja liiketoimintaa (tekes.fi)

Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että atomitasolla täsmälleen tietyn levyiset grafeeni-nanonauhat käyttäytyvät metallin tavoin, aiempien teoreettisten ennustusten mukaisesti.

Uudet tulokset tasoittavat tietä grafeenin käytölle tulevaisuuden elektronissa laitteissa, kuten mikroprosessoreissa, joissa grafeiinista valmistetuilla erittäin ohuilla nanonauhoilla voitaisiin korvata kupari johdinmateriaalina. Kun johtimen koko pienennetään atomimittakaavaan, grafeenin lämmönjohtavuuden ja kestävyyden uskotaan olevan parempi kuin kuparin.

Grafeenia on tutkittu maailmalla paljon. Aiemmin valmistetut grafeeni-nanonauhat ovat kuitenkin olleet puolijohteita, joilla ei voi suoraan korvata metallisia johtimia.

Poikkeukselliset elektroniset ominaisuudet

Nanonauhan valmistus perustuu molekyylien väliseen kemialliseen reaktioon metallipinnalla.

– Nauhojen valmistamiseen käytettävä molekyyli määrittää tarkasti nauhan leveyden. Jos halutaan muuttaa nauhan leveyttä vaikkapa yhden hiiliatomin verran, valitaan vain eri molekyyli, selittää Pekka Joensuu, joka valvoi käytettyjen molekyylien synteesiä.

– Mittasimme tunnelointimikroskoopilla yksittäisten nauhojen ominaisuuksia ja osoitimme, että yli viiden nanometrin pituiset nauhat käyttäytyvät metallin tavoin, kertoo Amina Kimouche.

Kokeellisia havaintoja täydennettiin teoreettisilla laskelmilla. Teorian mukaan nauhojen leveyden kasvaessa atomi kerrallaan joka kolmannen leveyden pitäisi olla lähes metallinen ja sen energia-aukon erittäin pieni.

– Kvanttimekaniikan mukaan järjestelmän pienentäminen tavallisesti kasvattaa energia-aukkoa. Grafeeni toimii eri tavalla poikkeuksellisten elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta, sanoo laskelmat tehnyt tohtoriopiskelija Mikko Ervasti Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmästä.

– Tulevissa tutkimuksissa keskitymme kokonaan grafeenista valmistettuihin rakenteisiin, joissa yhdistyvät sekä metalliset että puolijohtavat grafeeni-nanorakenteet”, toteaa tutkimuksen johtaja professori Peter Liljeroth.

Tutkimus "Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons" julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.

Tutkimukseen osallistuneet Atomic Scale Physics - ja Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien (LTQ) ja Laskennallisen nanotieteen (COMP) huippuyksiköihin. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Lisätietoja:
Professori Peter Liljeroth
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Teknillisen fysiikan laitos, Atomic Scale Physics -tutkimusryhmä
puh. 050 363 6115
peter.liljeroth@aalto.fi
http://physics.aalto.fi/groups/stm/

Hakemukset (+ CV + OREK) 29.2.2016 mennessä HR-koordinaattori Leena-Kaisa Paanaselle, leena-kaisa.paananen[ät]aalto.fi

Hakemuksessa voit kertoa, missä tutkimusryhmässä ensisijaisesti toivoisit saavasi työskennellä.

Tiedustelut:

Aurinkosähköllä ladattava polkupyörä on demo-versio, joka muistuttaa kolmipyöräistä tavarapyörää. Aurinkosähköpaneelit on sijoitettu pyörän takaosan tavaratelineelle, edessä on tavarateline ja säilytyslaatikko. Polkupyörän runko oli valmiina, sitä ei tehtävässä suunniteltu.

Kurssille osallistuivat materiaalitekniikan laitoksen opiskelijat Rasmus Björkvall, Kalle Koskela, Emmi Eronen ja Sanna-Mari Nevala. Advanged Project Design -kurssi toteutettiin viime syksynä.
 

Polkupyörän sähkömoottori saa virran akusta. Polkupyörässä on kaksi lyijyakkua, jotka voidaan ladata aurinkopaneelilla tai verkkovirralla. Kuvassa: Emmi Eronen (vasemmalla) ja Sanna-Mari Nevala.

Missä vika?

Kurssilla opiskelijoiden tehtäväksi annettiin ensin selvittää, miksi sähkömoottorilla varustettu polkupyörä ei toimi. Kun moottorin vika oli löydetty kytkimestä ja saatu korjattua, oli innovoinnin vuoro.
Aikaisemmat yritykset ladata polkupyörän akkuja polttokennoilla eivät ole toimineet, joten verkkovirralla lataamista täydentävä ratkaisu oli haettava muualta.

– Saimme idean kokeilla, voidaanko akkuja ladata aurinkopaneeleilla, Kalle Koskela kertoo.

Suuremmilla paneeleilla enemmän energiaa

Aurinkopaneelit olivat vakiovalmisteisia. Opiskelijoiden tehtävänä oli selvittää, voidaanko niitä käyttää polkupyörän sähkömoottorille virran antavien akkujen lataamiseen ja miten paneelit tulisi kiinnittää polkupyörään.

Aurinkopaneeli latasi yhtä akkua kerrallaan. Ladattavan akun pystyi helposti vaihtamaan vaihtamalla johdon paikkaa. Lataamiseen käytettiin myös suurempia paneeleja, jotka latasivat nopeammin, mutta olivat liian suuria polkupyörään kiinnitettäväksi.

Käytännössä ilmeni, että mikäli polkupyörällä haluaisi ajaa täysin aurinkoenergian voimalla, akut tulee ladata suuremmilla paneeleilla. Pyörään kiinnitetty aurinkopaneeli tuottaa pienen määrän energiaa ja akkujen lataaminen vie kauan.

Turvallisuussyistä pyörässä on katkaisija, josta moottori laitetaan päälle. Lisäksi optinen kytkin havaitsee, milloin pyörää poljetaan. Moottori ei voi mennä päälle, mikäli polkimia ei poljeta.

Mitä opittiin?
 

– Ryhmätyö ja suunnittelu oli ajoittain aikataulullisesti haastavaa, mutta kaikki olivat motivoituneita ja selviydyimme siitä hyvin. Kurssi opetti sähkölaitteen vian selvittämisen lisäksi käytännön ”hands-on”-taitoja, mutterien kiristelyä ja vääntelyä. Luonnollisesti kehityimme myös ryhmätyötaidoissa. Se, että työ saatiin toteuttaa ja aikatauluttaa itsenäisesti ryhmän kesken, ilman opettajien tarkkoja rajoja, oli sekä opettavaista että innostavaa, Kalle Koskela kuvailee.

Advanged Project Design -kurssia ollaan muokkaamassa, mutta opiskelijoiden innovatiivinen panos ja käytännön ryhmätyöosaaminen tulevat edelleen olemaan pääosassa. Samalla harjoitellaan työelämässä tarvittavia projektityöskentelytaitoja.

– Kurssilla kaikkein hienointa opettajan näkökulmasta on, kun opiskelijat innostuvat projektista ja lähtevät edistämään sitä omatoimisesti. Samalla päästään soveltamaan teoriakursseilla opittuja asioita käytännössä, yliopisto-opettaja Annukka Santasalo-Aarnio hehkuttaa.

Uusissa maisteriohjelmissa Advanged Project Design -kurssin korvaavat Materials Synthesis and production-kurssi (Sustainble metals prosessing maisteriohjelmassa) sekä Group reserach assignment (Functional Materials maisteriohjelmassa).

Polkupyörän muotoilu jäi tehtävässä vähemmälle. Ehkä joskus näemme muotoiluopiskelijoiden kanssa yhteistyössä toteutetun, aurinkoenergialla toimivan designpolkupyörän.

Professori Mari Lundströmin tutkimusala on hydrometallurgia ja korroosio. Kun hän aloitti opintonsa Teknillisessä korkeakoulussa 1998, metallurgit miellettiin usein savupiipputeollisuuden rattaiksi. Lundström kuitenkin uskoo, että todellinen potentiaali metallien kierrätykseen on metallurgisen teollisuuden ja alan tutkijoiden käsissä.

– Me olemme niitä, jotka voivat tehdä kiertotalouden ja kestävän kehityksen ihan oikeasti mahdolliseksi. Meillä on siihen teknologinen osaaminen.

Lundströmin tutkimusryhmä etsii sekundäärisistä raaka-aineista metalleja ja kehittää menetelmiä ja prosesseja, joilla metallit saataisiin paremmin talteen ja kierrätykseen.

Jätteissä on arvokkaita metalleja

Sekundäärisiä raaka-aineita ovat esimerkiksi vanhat kännykät ja tietokoneet, auton akut, lamput ja patterit sekä metallipitoiset tuhkat. Ne mielletään usein jätteeksi, koska ne ovat jo kerran olleet käytössä, toisin kuin esimerkiksi juuri maasta kaivettu malmi.

Vanha kännykkä voi kuitenkin sisältää yli 40 erilaista alkuainetta ja useita arvokkaita metalleja, joita ei nykyisillä prosesseilla saada otettua talteen.

– Kännykässäsi on esimerkiksi kuparia, tinaa, hopeaa, kultaa, sinkkiä, indiumia ja harvinaisia maametalleja, Lundström havainnollistaa.

Lundströmin tutkimusta motivoi pyrkimys kestävään kehitykseen. Esimerkiksi litiumin tuotannosta menee yli neljäsosa pattereihin, mutta pattereiden sisältämää litiumia ei tällä hetkellä kierrätetä merkittävästi.

– Emme voi jatkaa niin, että metalleja menetetään jätteeseen ja sivuvirtoihin.

Lundström näkee metallien kierrätyksen myös poliittisesti merkittävänä. Hän kertoo, että tällä hetkellä lähes 90 prosenttia harvinaisista maametalleista tuotetaan Kiinan alueella ja noin 70 prosenttia litiumista Etelä-Amerikassa.

– EU:ssa pitäisi pystyä tuottamaan metalleja sekundäärisistä raaka-aineista, jotta emme olisi riippuvaisia muista maailman alueista.

Myyntituote Suomelle?

Lundströmin tutkimusryhmän työ on suureksi osaksi kokeellista toimintaa ja mallinnusta.

– Teemme paljon esimerkiksi sähkökemiallisia kokeita, liuotuskokeita, analyyseja ja prosessimallinnusta, mutta myös metallurgisen tiedon mallinnusta, Lundström luettelee.

Työpäivät venyvät pitkiksi, sillä Lundström haluaa olla kaikessa mukana. Kun hänen kanssaan kävelee laitoksen käytävällä, ympäröivistä huoneista alkaa sadella kysymyksiä: Mari, ehtisitkö tulla katsomaan tätä? Mari, me löydettiin jotain!

Lundströmin mielestä on palkitsevaa uppoutua tarkastelemaan koetuloksia opiskelijoiden kanssa tunneiksi. Ajan riittämättömyys on haaste, mutta Lundström tunnustaa kantavansa suurta vastuuta tehtävästään.

– Suomessa on paljon firmoja metallurgian alalla, joten kyllä meidän tutkimusryhmänkin pitää olla maailmaluokkaa.

Lundström uskoo, että metallurgit pystyvät tekemään isoja asioita: kehittämään ympäristöystävällisempiä prosesseja ja parantamaan suomalaisen teollisuuden asemaa.

– Olisi hienoa nähdä, että kehittämämme menetelmä tulisi kaupalliseksi sovellukseksi ja myyntituotteeksi Suomelle tai Euroopalle.

Teollisuudesta yliopistoon

Mari Lundström aloitti professorin pestissään helmikuussa 2015. Sitä ennen hän työskenteli useita vuosia teollisuudessa, Outotecin palveluksessa. Tohtoriksi Lundström väitteli vuonna 2009, ja tutkimuksen ja julkaisujen tekeminen oli hänelle harrastus työn ohessa.

Vuonna 2013 Kemian tekniikan korkeakoulussa alkoi Tenure Track -urajärjestelmän mukainen hakuprosessi Assistant Professorin virkaan.

– Silloin oppi-isänäni toiminut dosentti kysyi, olenko ajatellut hakea professuuria. Siitä se ajatus sitten lähti.

Sekä teollisuudessa että yliopistomaailmassa työskentelyssä tarvitaan Lundströmin mielestä ongelmanratkaisukykyä. Hän ei pidä itseään poikkeuksellisen älykkäänä, mutta uskoo olevansa hyvä löytämään ratkaisuja erilaisiin ongelmiin.

Myös ilmiöiden ymmärtäminen on Lundströmille tärkeää. 

– Kun opiskelijat sanovat koetuloksen menneen pieleen sanon, että älkää ajatelko noin. Haluan ymmärtää, miten tulos on syntynyt ja mitä sen taustalla on.

Kemian tekniikan korkeakoulu, professorit

− Olen aina ollut kiinnostunut materiaaleista ja niiden ominaisuuksista, kertoo Kemian tekniikan korkeakoulun professori Tanja Kallio.

Kallio etsii tutkimusryhmineen materiaaleja, jotka parantaisivat litiumioniakkujen ja elektrokatalyyttien toimintaa, turvallisuutta ja ympäristöystävällisyyttä.

Akut ovat osa useimpien arkipäivää – niitä on muun muassa kannettavassa elektroniikassa. Elektrokatalyyttia taas tarvitaan sähkön varastoimiseen esimerkiksi uusiutuvaa energiaa käytettäessä.

Kallis raaka-aine vaihtui edulliseen

Viime vuonna Tanja Kallion, professori Kari Laasosen ja professori Esko Kauppisen tutkimusryhmät onnistuivat korvaamaan elektrokatalyytin valmistuksessa käytettävän platinan hiilellä ja raudalla.

− Hiili ja rauta ovat molemmat hyvin yleisiä ja edullisia alkuaineita, ne ovat helposti saatavilla. Lisäksi niitä voi kierrättää.

Tällä hetkellä elektrokatalyyttien materiaaleina käytetään jalometalleja. Ne ovat hyvin kalliita, harvinaisia ja myös geopoliittisesti ongelmallisia.

− Jalometalleja saadaan alueilta, joista EU ei halua olla riippuvainen – esimerkiksi Venäjältä. Yritämme kehittää materiaaleja, jotka toimisivat yhtä hyvin kuin jalometallit, mutta olisivat helpommin saatavilla ja kierrätettävissä.

Elektrokatalyytin hinta vaikuttaa Kallion mukaan uusiutuvan energian yleistymiseen, sillä esimerkiksi aurinkovoiman käyttö vaatii energian varastoimista. Elektrokatalyytin avulla auringosta saatu sähköenergia muutetaan vedyksi ja otetaan talteen pilvisten kausien varalle.

− Akku auttaa silloin, kun pilvet peittävät taivasta pari tuntia. Jos pilvinen jakso kestää pari viikkoa, tarvitaan vedyn varastointia.

Akkujen materiaalilla on väliä

Nykyään akkujen valmistusprosessissa käytetään orgaanisia liuottimia, jotka luokitellaan haitallisiksi aineiksi. Orgaaniset liuottimet ovat käsittelijälle turvallisuusriski. Lisäksi käsittelyyn kuluu paljon resursseja ja energiaa. 

Liuottimia kuitenkin tarvitaan, jotta akun valmistuksessa käytettävä sideaine sekoittuisi tasaiseksi massaksi sähkökemiallisesti aktiivisen aineen kanssa. Pari vuotta sitten Kallio ryhmineen keksi, kuinka orgaanisen liuottimen käytön voi välttää.

− Löysimme sellaisen sideaineen, joka liukenee veteen. Saimme aika paljon yhteydenottoja kansainvälisiltä firmoilta.

Materiaalivalinnat vaikuttavat Kallion mukaan myös akkujen turvallisuuteen. Akut sisältävät paljon energiaa, joten ne voivat väärin käytettyinä ylikuumentua ja ääritapauksessa jopa räjähtää.

− Tutkimme materiaalien ominaisuuksia ja sitä, millaisissa olosuhteissa ja kuinka kauan akkua on turvallista käyttää.

Jalat pysyvät maassa

Kallio kuvailee tutkimustyötään haastavaksi ja kiehtovaksi. Materiaalien ominaisuudet ovat arvaamattomia, eikä koskaan voi tietää, mitä matkan varrella tulee vastaan.

Kallio kertoo viettävänsä paljon aikaa laboratoriossa, sillä työ on pitkälti kokeellista. Hänen tutkimusryhmänsä valmistaa uusia materiaaleja, karakterisoi niitä ja tutkii niiden sähkökemiallisia ominaisuuksia.

− Kokoamme myös ihan oikeita akkuja ja kokeilemme toimivatko ne esimerkiksi erittäin kylmissä tai lämpimissä olosuhteissa.

Tanja Kallion tutkimuksessa on vahvasti mukana yritysyhteistyö – ja sitä professori arvostaa. Kontaktipinta teollisuuteen pitää tutkijan poissa norsunluutornista.

− Tutkimuksen yhteiskunnallinen merkittävyys säilyy, kun on jatkuvassa vuorovaikutuksessa teollisuuden kanssa. Realiteetit pysyvät mielessä, kun asioita pitää miettiä monesta eri näkökulmasta.

Tutkijat testasivat akkumateriaalia nappikennoilla. Kuva Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto

Entistä pienemmät laitteet tarvitsevat entistä pienempiä akkuja. Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet sähkökemiallisesti aktiivisia orgaanisia, ohuita litiumelektrodikalvoja, joita käyttäen voidaan tehdä aiempaa tehokkaampia mikroakkuja. Tämä onnistui, kun tutkijat valmistivat litiumtereftalaattia, litiumioniakulle äskettäin kehitettyä anodimateriaalia, käyttäen yhdistettyä atomi-/molekyylikerroskasvatustekniikkaa (ALD/MLD).

Mikroakkujen valmistuksessa haaste on saada ne varastoimaan suuria määriä energiaa pieneen tilaan. Yksi keino parantaa energiatiheyttä on valmistaa akut kolmiulotteiseen 3D-mikrorakenteeseen perustuen. Se voi lisätä tehollisen pinta-alan akun sisällä jopa monikymmenkertaiseksi. Materiaalien valmistus tarkoitusta varten on kuitenkin osoittautunut erittäin hankalaksi.

– ALD on loistava menetelmä valmistaa 3D-mikrorakenteeseen sopivia akkumateriaaleja. Menetelmämme osoittaa, että ALD-tekniikalla voidaan tuottaa orgaanisia elektrodimateriaaleja, mikä lisää mahdollisuuksia valmistaa tehokkaita mikroakkuja, kertoo Mikko Nisula, tohtorikoulutettava Aalto-yliopistosta.

Tohtoriopiskelija Mikko Nisula pitää terässubstraatille pinnoitettua näytettä kädessä. Taustalla ALD-reaktori. Kuva Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto

Tutkijoiden kehittämä litiumtereftalaatin kasvatusprosessi noudattaa hyvin ALD-tyyppisen kasvun perusperiaatteita, mukaan lukien itsekyllästyvät pintareaktiot, jotka ovat välttämättömyys pyrittäessä valmistamaan kolmiulotteisella arkkitehtuurilla varustettuja mikrolitiumlaitteita. Kerrostetut kalvot ovat kiteisiä koko 200−280 °C:n kerrostamislämpötila-alueella, mikä on erittäin toivottava ominaisuus elektrodimateriaalille, mutta melko epätavallinen orgaanisia ja epäorgaanisia materiaaleja sisältäville ohuille hybridikalvoille. Litiumtereftalaattikalvojen varausominaisuudet ovat erinomaiset, eikä johtavia lisäaineita tarvita. Elektrodin suorituskykyä voidaan tehostaa entisestään kasvattamalla litiumtereftalaatin päälle ohut suojakerros LiPON-elektrolyyttimateriaalia. Sen avulla litiumtereftalaation stabiilisuutta voidaan parantaa ja näin materiaalin kapasiteetista säilytetään 200 lataus-/purkukerran jälkeen yhä yli 97 %.

Menetelmää koskeva tutkimus on julkaistu uusimmassa Nano Letters -numerossa.

Lisätiedot:

Tohtorikoulutettava Mikko Nisula, Aalto-yliopisto kemian tekniikan korkeakoulu
mikko.nisula@aalto.fi

Professori Maarit Karppinen, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu maarit.karppinen@aalto.fi, puhelin: +358 50 384 1726

Artikkeli:

Mikko Nisula and Maarit Karppinen: Atomic/Molecular Layer Deposition of Lithium Terephthalate Thin Films as High Rate Capability Li-Ion Battery Anodes. Nano Lett., 2016, 16 (2), pp 1276–1281.