911������

Aalto-yliopisto vihki promootioseremoniassaan 10. lokakuuta 2014 kunniatohtorikseen Meijōn yliopiston professori Sumio Iijiman.

Nanohiiliputkista julkaistaan vuosittain tuhansia tieteellisiä artikkeleita. Niiden odotetaan mullistavan niin materiaalitekniikan, elektroniikan, muotoilun kuin energiateknologiankin vahvuudellaan, taipuisuudellaan ja verrattomilla puolijohtavilla ominaisuuksillaan.

– Ne olivat 1990-luvulla täysin uudenlainen materiaali. Vaikka mikroskooppikuvia vastaavista rakenteista oli onnistuttu ottamaan ennen, niiden atomirakenteesta ja elektronidiffraktiosta ei ollut näyttöä. Sain ensi kertaa tieteellisiä todisteita niiden olemassaolosta, Iijima kertoo pioneerityöstään.

Nanohiiliputkista on tehty teoreettista ja soveltavaa tutkimusta nyt yli 20 vuotta. Massatuotanto ja kaupalliset sovellukset – esimerkiksi taskuun taiteltavat näytöt ja uusi aurinkokennoteknologia – ovat viimein ovella.

– Odotan suuresti, että sovelluksiin tarpeeksi laadukkaiden nanohiiliputkien valmistus onnistuu, etenkin Aalto-yliopistossa professori Esko Kauppisen ryhmässä. Teollisuus pitää saada vakuuttumaan, ja siihen akateemisen mittakaavan kokeet eivät riitä. Putkien tuotanto on myös edelleen liian kallista, Iijima muistuttaa.

Nanohiiliputket onnekas mutta työläs sattuma

Iijima kuvailee itseään kokeelliseksi tutkijaksi ja keksijäksi. Väitöstutkimukseensa hän löysi alan atomifysiikasta ja mikroskopiasta. Vuonna 1970 Iijima lähti Yhdysvaltoihin Arizonan yliopistoon tutkimaan elektronimikroskopiaa. Erilaisten nanohiilirakenteiden tutkimus jatkui 1980-luvulla Japanissa, ja johti vähitellen havaintoon pallomaisista hiilistä, C60-fullereeneista, vuonna 1985.

C60-fullereenit löytänyt Nobel-palkittu kemisti Harry Kroto pyysi vuonna 1990 Iijimaa selvittämään, miksi hiilimolekyylit muodostuvat palloksi, ja tätä valmistamaan fullereeneja omalla menetelmällään.

– Parantelin valmistustekniikkaani ja tarkastelin monia hiilirakenteita. Olin jo kymmenen vuotta aiemmin saanut laadukkaita mikroskooppikuvia fullereenien sipulimaisesta rakenteesta, ja löysin yllättäen näytteestäni neulamaisia rakenteita, Iijima kertoo mullistavasta havainnostaan.

Neulat olivat yhden atomikerroksen paksuisia kanaverkkomaisia rullia – nanohiiliputkia. Iijima julkaisi mullistavan havaintonsa Nature-lehdessä vuonna 1991. Nanohiiliputket houkuttelivat fyysikot, kemistit ja laskennalliset tutkijat ympäri maailmaa toistamaan Iijiman tuloksia, kehittämään omia tekniikoitaan valmistaa nanohiiliputkia ja analysoimaan niiden ominaisuuksia.

– Nanohiiliputket ovat ihanteellisia mallinnettavia: ne ovat niin pieniä rakenteita, että kaikkien atomien koordinaatit voi syöttää malliin ja arvioida, millaisia sähköisiä, optisia tai mekaanisia ominaisuuksia niillä voisi olla.

Teoreetikoiden kiinnostus nanohiiliputkiin kasvoikin vauhdilla. IIjiman mukaan asetelmasta tuli epätavallisen nurinkurinen.

– Nyt uusi materiaali havaittiin ensin, ja vasta sitten alkoi teoreettinen tutkimus ja mallinnus. Yleensähän kokeellinen tutkimus yrittää päin vastoin vahvistaa teoreettisia oletuksia, Iijima hykertelee.

Vaikka nanohiiliputkien löytäminen luetaan laajasti Iijiman ansioksi, hän toivoo historiantajua tieteen läpimurtojen ihasteluun.

– Kukaan tutkija ei tee yksin mitään. Kaikilla suurilla saavutuksilla on oma ainutkertainen historiansa. Yksittäisen läpimurron tekee mahdolliseksi kaikki sitä edeltävä työ.

”Aalto-yliopiston Nanomateriaalien tutkimusryhmä valmistaa maailman laadukkaimpia nanohiiliputkia”

Yliopistot, tutkimuslaitokset ja yritykset ympäri maailmaa seuraavat tiiviisti Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Esko Kauppisen ryhmän työtä. Iijima on vieraillut usein Suomessa ja tutustunut erityisesti Kauppisen ja Nanomateriaalit-ryhmän tutkimukseen.

– Kauppinen kehittää erinomaista teknologiaa huippulaatuisten nanohiiliputkien teolliseen tuotantoon. Esimerkiksi elektronisissa laitteissa ei voi käyttää keskinkertaisia nanohiiliputkia, ne eivät toimisi vakaasti. Kauppisen ryhmässä pystytään jo lähes riittävään tasoon kaupallisia sovelluksia varten.