Outo ja pitkä sana: materiaalifysikka. Mitä se oikein mahtaa tarkoittaa? Ilmeisesti se on jonkinlaista fysiikkaa. Ja uskomme toki tietävämme, mitä fysiikka on. Sehän tutkii maailmamme ominaisuuksia, ja se käsittelee ainekappaleita, alkeishiukkasia, voimia, kenttiä ja geometrioita, ja myös sähköilmiöitä ja säteilyä. Fysiikan tärkein työkalu on matematiikka, sen avulla fyysikot rakentelevat teorioitaan. Siinä he pyrkivät kompakteihin ja oikeaksi todistettuihin ratkaisuihin, joita he usein kutsuvat ”kauniiksi”. Fyysikot ovat tieteen ihailtuja supersankareita, heidän nimensäkin saattavat olla monille tuttuja, ne kuuluvat oman aikamme tarustoon: Newton, Maxwell, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Hawking ja niin edelleen.
Aivan toisin on materiaalifysiikan aika. Ja kuitenkin voisin väittää, että materiaalifysiikka on – enkä molekyylibiologian rinnalla - aikamme tärkein tiede. Emme kuitenkaan osaa nimetä alan kuuluisia tieteentekijöitä. Ehkä joku saattaa vielä muistaa Shuji Nakamuran, Milleniumpalkinnon ja Nobel-palkinnon saajan, jonka mainetta wikipedia tosin himmentää liittämällä hänen nimeensä sanan ”keksijä”. Nakamura lahjoitti ihmiskunnalle pitkäikäiset ja energiaa säästävät LED-lamput, mutta silti hänen nimensä on jo vaipumassa unohduksiin. Pikemminkin pidämme edelleen sähkövalon keksijänä Edisonia, mikä taas ei ole ollenkaan totta (ks. Lies, inc.).
Jossain ihmistiedon Arkadiassa on ilmeisesti päätetty, että tieteet pitää jakaa ”puhtaisiin” eli jumalaisiin, ja ”soveltaviin” eli arkisiin tieteisiin. Niinpä on ilmeistä, että fysiikka on ”puhdasta” ja materiaalifysiikka ”soveltavaa”, ja siksi vähemmän kunnioitettavaa. Ehkä tämä jako selittää materiaalifysiikan ja sen harjoittajien näkymättömyyden. Voi olla, että tieteen, kuten fysiikan ja matematiikan puhtaus johtuu siitä, että ne ovat olennaisesti hyödyttömiä. Aivan niin kuin todellinen taide. Hyötyyn tähtäävät tieteet, kuten materiaalifysiikka, ovat vähempiarvoisia ja tahrautuneita.
Ja nyt teen rohkean spekulaation. Uskon, että tällainen ihmistiedon jaottelu on ikivanhaa. Se juontaa juurensa antiikin ajan Kreikasta, missä muun muassa filosofia ja runous olivat puhtaita, jaloja ja yleviä, jumalten suosimia. Kun taas käytännöllinen tieto, eli käsityöläisten, rakentajien, insinöörien ja teknikoiden taidot olivat vähäarvoisia, koska ne ovat hyödyllisiä. Tämä liittyy suoraan Prometheus-myyttiin. Tämä hellämielinen titaani lahjoitti nämä taidot ihmiskunnalle, ja sai ottaa vastaan jumalten raivon.
Mitä tähän jaotteluun pitäisi sanoa? Älkää uskoko siihen! Ehkä tällaisesta arvottamisesta johtuu, että jos yrittää etsiä hakukoneella määritelmää tai kuvailua materiaalifysiikalle, löytää suuren määrän lajeja, rajauksia ja kuvauksia. Esimerkiksi materiaalifysiikka ei ole sama kuin materiaalitiede. En ymmärrä, miksi ei muka? Totta, myös fysiikalle löytyy joukko alalajeja, mutta ne eivät ole yhtä hämmentäviä. No, ei nyt lähdetä kahlaamaan tällaisessa saivartelussa. Tiede ei kumminkaan pysy laatikoiden sisällä, pikemminkin rajojen ylitys ja sekoittaminen on hedelmällistä.
Mennäänpä itse asiaan. Materiaalifysiikka on englanniksi ”solid state physics” eli ”kiinteän olomuodon fysiikka”. Se tutkii olennaisesti kiinteiden aineiden sisäisiä ominaisuuksia, sen eräs osa on kristallografia, ja usein siinä joudutaan menemään nesteiden ja kaasujen rajapinnalle. Nesteiden fysiikkaan liittyy virtauksen teoriat, sihen sekoittuu jotenkin kemiaa, ja mielestäni siinä on myös materiaalifysiikan piirteitä. Kaasujen fysiikka rajautuu eräin osin plasmafysiikkaan, ja loput on kineettistä kaasuteoriaa, aerodynamiikkaa, termodynamiikkaa ja ehkä jotain muuta. Joten tässä on pelikenttä jolla toimitaan, enkä nyt ruodi sitäkään pidemmälle. Ehkä ylläoleva kuvaus vihjaa, että aika monimutkaista tämä on – niinkuin on aina kun on kyse todellisesta maailmasta. Tämä mutkikkuus tuo mieleen teknologian ja insinööritieteet. Mielleyhtymä on oikea, materiaalifysiikassa tutkimus, kokeilut ja hyödyntäminen sulautuvat teknologiaan.
On huomattava kontrasti, että vaikka materiaalifysiikka tieteenä tuntuu häilyvältä, sen sovellukset ovat mullistaneet koko yhteiskunnan. Materiaalifysiikka on se tiedollinen pohja, jolta ponnistavat elektroniikan sovellukset, kuten radio- ja tv-laitteet, videot, tietoverkot, kännykät ja tietokoneet. Ja viime vuosina mukaan on tullut energiaan perustuva toiminta, kuten aurinkopaneelit ja akut.
Katsotaan asiaa esimerkkien valossa. Puolijohdeteollisuus synnytti modernin elektroniikan ja ns. tietoyhteiskunnan (hieman ristiriitainen nimi, sillä jo varhaisempi teollistuminen perustui tietoon). Se on tietenkin myös materiaalifysiikan riemuvoitto, jos niin voi sanoa. Mitättömän pienet hippuset piitä tai muuta puolijohteeksi kutsuttua kiteistä ainetta käsittelevät tietoa ja tuottavat valoa ja radioaaltoja. Nämä tekniikan ihmeet havainnollistavat myös erästä materiaalifysiikan piirrettä. Esimerkiksi puolijohteet olivat tunnettuja jo 1800-luvun lopulla, mutta niiden luonnetta ei ymmärretty. Vasta kvanttimekaniikka antoi ratkaisevan kehityssysäyksen. Näin edellä kuvattu jaottelu puhtaaseen ja sovellettuun fysiikkaan osoittautuu turhaksi. Rajojen ylittäminen voi tuottaa yllättäviä seurauksia.
Kun tohtori Nakamura kehitti kirkkaiden valkoisten LED-komponenttien valmistusmenetelmän 2000-luvun alussa, siihen ei oikein uskottu (ks. Haiz'in laki). Nyt LED-lamput ovat vallitseva valaistusteknologia.
Tai otetaan toinen esimerkki. Sähköä tuottavat aurinkokennot tai -paneelit perustuvat puolijohteisiin. Niiden kehitys tuntui polkevan paikallaan vuosikymmeniä. Hyötysuhde oli matala ja hinta korkea. 1960- luvulta lähtien niitä käytettiin erikoissovelluksissa, kuten valokennoissa, satelliiteissa ja meriviitoissa ja majakoissa. Uudella vuosituhannella materiaalifysiikan edistyminen on muuttanut tilanteen. Paneelien massatuotanto on alkanut, ja hyötysuhde kaksin- tai kolminkertaistunut. Nyt aurinkoenergian kokonaiskapasiteetti Suomessa on noin 1000 MW, siitä huomattava osa omakotitalojen ja uusien talojen katoilla. Ja kymmenessä vuodessa kapasiteetin ennustetaan kymmenkertaistuvan.
Sähköautojen läpimurto on juuri alkamassa. Vuonna 2011 litiumakku oli tunnettu, mutta sitä ei juuri edes kuviteltu auton energianlähteeksi. Asia askarrutti mieltäni, ja tein hieman laskelmia kemian perustietojen pohjalta. Tulos oli, että energiatiheys yli 1 kWh/kg on saavutettavissa. Toinen arviointimenetelmä, teknologiadynamiikka, kertoi, että se saavutetaan noin 2025 - 2030 (ks. Paremmat sähköautot...).
Eräs huoli liittyy akkumateriaalien saatavuuteen ja niiden tuotannon ympäristövaikutuksiin. Odotan, että materialifysiikka on tässäkin ratkaisijana. Litiumia ei välttämättä edes tarvita, vaikka sitä onkin varsin helposti saatavana. Se ehkä korvataan tavallisella ruokasuolalla, ja nykyakuissa käytetyt harvinaiset metallitkin on korvattavissa.
Eräs materiaalifysiikan haasteita on sen monimutkaisuus, poikkitieteellisyys ja vahva kytkentä teknologiaan. Itse asiassa insinööritieteet ja materiaalifysiikka ovat monella tavalla samankaltaisia. Ja ne käyvät käsi kädessä.
Niin että jos nuori tieteentekijä etsii kovia haasteita, niitä saattaisi löytää juuri sieltä. Elektroniikassa, aurinkopaneeleissa ja LED-valoissa materiaalifysiikka tuotti laadullisen ja määrällisen hyppäyksen. Samaa voisi odottaa energian varastoinnin kohdalla. Sitä tarvitaan pelastamaan planeettamme.
(Joku saataa ihmetellä, mistä tulee tämän kirjoituksen haastava otsikko. Sehän on viittaus slovenialaiseen kohufilosofiin Slavoj Žižekiin (filosofiaa, idiootti!), joka tuli tunnetuksi 2000-luvun alussa. Ehkä myös materiaalifysiikka tarvitsisi hänen kaltaistaan herättäjää!)
