Grafeeni on aineellinen realiteetti

Euroopan unionin miljardin euron satsaus grafeenin tutkimukseen läpäisi hyvin uutiskynnyksen, onhan mukana myös suomalaisia ja Nokia. Hanke on kaikin puolin hyvä. Samalla se on terveellinen muistutus siitä, että innovaatioyhteiskunnallakin on vahvat kytkennät aineellisesti niukkaan todellisuuteen.

Elämme helposti yltäkylläisyyden illuusion vallassa: teknologisella yhteiskunnalla on rajattomat resurssit toteuttaa erilaisia innovaatioita. Todellisuus on kokonaan toisenlainen. Koko teknologinen edistys on ollut hidasta ja vaivalloista ponnistelua erilaisten raaka-aineiden tuotantotapojen kehittämiseksi. Ja se on tapahtunut piilossa julkisuudelta tutkijoiden ja teollisuuden laboratorioissa. Kuitenkin edistyksen seuraukset ovat olleet mullistavia. Olemme kokeneet teräksen, petrokemian ja puolijohteiden tuottamat uudet aikakaudet. Onko nyt alkamassa molekyylihiilen käytön aikakausi? Grafeeni edustaa juuri sitä.

Tarvetta nykyistä varmemmalle aineelliselle perustalle on. Yhteiskunnat vaurastuvat ja maapallon väestö lisääntyy edelleen, ainakin vielä joitakin vuosikymmeniä. Haasteeseen on olemassa myös teknologisia ratkaisuja, eikä meillä edes ole varaa jättää niitä käyttämättä. On päästävä eroon harvinaisista ja myrkyllisistä raaka-aineista. Ne ovat olleet vaarallisia oikopolkuja. Jäljelle jäävän -raaka-ainepohjan tulee olla uudistuva ja materiaalikierrolla ei saa olla haitallisia ympäristövaikutuksia. Myös energiatekniikassa uudistustarpeet ovat mittavat.

Hämmästyttävästi grafeeni ja muut molekyylihiilet tarjoavat kaikkeen tähän ratkaisuja. Hiiltä on maapallolla yllin kyllin ja se on myrkytöntä. Grafeeni on ainutlaatuisen lujaa, ja sillä on hämmästyttäviä sähköisiä ja optisia ominaisuuksia. Materiaalitutkimusta ja valmistustekniikkaa on silloin tällöin pidetty vanhentuneina aloina, mutta ne ovat olleet ja ovat edelleen tulevaisuuden rakentajia.

Entä lunastaako EU:n tutkimushanke kaikki grafeeniin pannut toiveet? Kukaan ei osaa sanoa, mutta edistystä tapahtuu varmasti. Grafeenin lisäksi tärkeitä tutkimuskohteita ovat muut molekyylitekniikan alat ja orgaanisten molekyylien teknologia ja lääketiede. Nämä tutkimusalat ovat Suomellekin erinomaisia tulevaisuuden hyvinvoinnin rakennuspalikoita. Meillä on korkea koulutustaso, asiantuntijoiden osuus väestöstä on maailman suurin, ja meillä on monipuolinen teollinen struktuuri. Tätä etua ei saa päästää käsistä. Suomen menestys elektroniikassa oli yllätys, jota kukaan ei osannut ennakoida. Kannattaa varautua uusiin yllätyksiin.

Ainoa asia joka tässä huolestuttaa on lyhytnäköisyys. Kun julkinen valta panee tutkimusrahaa johonkin kolme tai viisi vuotta, ajatellaan että asia on sitten selvä. Ja jos ei ”kansantaloudelle merkittävää innovaatiota” tule, pannaan rahat johonkin aivan muuhun.

Ei se niin mene. Tämä on materiaalifysiikan perustutkimusta! Sitä tehdään vuosikymmenien perspektiivillä, ei vuosien. Jopa tuotekehityksessä viisi vuotta on mitätön aika. Chester Carlson tappeli kuivakopioinnin kimpussa yli 20 vuotta, ennenkuin tärppäsi. Missä me nyt oltaisiin ilman xerokopioita? Istuisimme luolissa ja nyppisimme kirppuja toistemme turkeista.

Toivotan tiederahoituksesta vastaaville suurta kärsivällisyyttä!

Lisää innovaatioyhteiskunnan realiteeteista voi lukea uudesta kirjastani!

Uutta rautakautta odotellessa

Raudan, tai oikeammin teräksen valmistus on maanviljelyksen jälkeen eniten maailmaa mullistanut keksintö. Rautakausi teki mahdolliseksi tehokkaat työkalut ja koneet. Teollinen vallankumous moninkertaisti teräksen tuotannon – mutta teräs ei ole juurikaan parantunut. Muinaisajoista tunnettu damaskoksen teräs ja japanilaiset miekat edustivat materiaalitekniikan huippua.

Paremmille materiaaleille olisi kyllä valtava tarve. Tarvittaisiin terästä tai muita materiaaleja, joiden lujuus olisi paljon nykyisiä parempi, ja samoin tarvittaisiin materiaaleja, jotka kestäisivät paljon nykyisiä korkeampia lämpötiloja.

Ajoneuvoissa tarvittaisiin moottoreita, joilla olisi parempi hyötysuhde. Eräs keino olisi kohottaa moottorin toimintalämpötilaa. Se parantaisi termistä hyötysuhdetta kahdella tavalla: itse termodynaaminen prosessi toimisi paremmalla hyötysuhteella, ja jäähdytys olisi helpompaa järjestää, kun erityistä nestekiertoa ei tarvittaisi, vaan ilma- ja säteilyjäähdytys riittäisi. Yritykset kehittää keraamista korkean lämpötilan moottoria ovat toistaiseksi epäonnistuneet.

Korkeammat toimintalämpötilat parantaisivat myös sekä tavallisten lämpövoimaloiden että ydinvoimaloiden hyötysuhdetta. Lisäksi uudet ydinvoimalat olisivat nykyisiä turvallisempia, ja tuottaisivat huomattavasti vähemmän ydinjätettä. Myös fuusiovoimalassa tarvitaan parempia materiaaleja.

Ilmailu hyötyisi myös. Korkea lämpötila toisi taloudellisemmat turbiinit. Erityisesti avaruuslennot hyötyisivät. Rakettipolttoaineiden hapetin muodostaa pääosan polttoaineen painosta. Käyttämällä startissa ilmasta otettavaa happea avaruusalusten laukaisu mullistuisi. Pienet, siivekkäät ja sulavalinjaiset avaruusalukset veisivät hyötykuormat avaruuteen murto-osalla nykyisestä energiamäärästä ja kustannuksista, Mutta se asettaa moottorien materiaaleille äärimmäisiä vaatimuksia. Myös alusten rungon lämpösuojaus vaatii erikoismateriaaleja.

Miksi sitten uusien materiaalien kehittäminen on niin vaikeaa? Materiaalin lujuus määräytyy atomien elektroniverhon muodostamien sidoksien lujuudesta. Sille asettaa rajan sähköisen vetovoiman suuruusluokka. Se on tietenkin ylittämätön raja, koska kyseessä on fysiikan perusvakio. Mutta jotain voidaan tehdä. Erittäin lujia sidoksia löytyy kiteisistä rakenteista, kun ne ovat mahdollisimman puhtaita. Hiili on eräs lupaava aine. Esimerkkejä ovat hiileen perustuvat timanttikalvot, hiiliputket ja fulleriinit. Muutkin alkuaineet lienevät mahdollisia, mutta niitä tunnetaan toistaiseksi huonosti. Toinen mahdollisuus on harkittu epäpuhtauksien käyttö ja erilaisten aineiden yhdistely, kuten tapahtuu erilaisissa lejeeringeissä ja komposiittiaineissa. Aivan uusi asia on käyttää komposiiteissa nanoluokan aineskokoja.

Keskeinen lujuuteen vaikuttava tekijä on lämpötila. Lämpötilan kohotessa molekyylien lämpöliike alkaa jossain vaiheessa purkaa atomien välisiä sidoksia. Alkaa tapahtua fysikaalisia faasimuutoksia ja kemiallisia reaktioita, jotka pilaavat aineen tekniset ominaisuudet. Noin tuhannesta asteesta ylöspäin alkaa jo tulla vakavia vaikeuksia. Tässäkin fysiikka asettaa rajat. Voidaan tietenkin pyrkiä hyödyntämään luonnostaan vaikeasti sulavien aineiden yhdistelmiä.

Vaikeuksia on oikeastaan kaksi. Ensinnä pitää löytää teknisiltä ominaisuuksiltaan lupaavia kidemuotoja, yhdisteitä ja komposiitteja, kuten teräksen tai eräiden muiden metallien seostaminen nanoluokan keraamipartikkeleilla. Toinen vaikeus on löytää niille taloudellinen valmistusmenetelmä. Ehkäpä näemme aikanaan konstruktiomateriaaleja, joiden lujuudet ovat kymmenkertaisia, ja lämpötilan kestot 2-3 kertaisia nykyisiin verrattuina. Mutta se vaatii kyllä paljon aikaa ja vaivaa.