Uutiset

Grafeenipohja parantaa hiilinanoputkiverkoston sähkönjohtavuutta

Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat yhdistivät grafeenin ja yksiseinäiset hiilinanoputket läpinäkyväksi hybridimateriaaliksi. Uusi materiaali johtaa sähköä paremmin kuin kumpikaan komponentti yksinään.
an electron microscope image showing a carbon nanotube on top of a substrate of graphene
Vasemmalla: elektronimikroskooppikuva hiilinanoputkien ja grafeenin muodostamasta hybridimateriaalista. Oikealla: atomitason lähikuva hiilinanoputken ja grafeenin yhtymäkohdasta.

Läpinäkyviä sähköä johtavia kalvoja käytetään esimerkiksi kosketusnäytöissä, orgaanisissa valodiodeissa ja aurinkokennoissa. Niihin tarvitaan kestäviä, energiatehokkaita ja vakaita materiaaleja, minkä vuoksi yritykset ja tutkijat ovat kiinnostuneita hiilipohjaisista aineista. Yksiseinäiset hiilinanoputket ovat herättäneet erityistä kiinnostusta, sillä niistä odotetaan nykyisten metallioksidikalvojen korvaajaa.

Grafeeni on ohuin mahdollinen materiaali – se koostuu vain yhdestä hiiliatomikerroksesta. Tällaisia kerroksia rullaamalla voidaan valmistaa hiilinanoputkia, jotka sopivat sähkönjohtimiksi käytännön sovelluksiin grafeenia paremmin. ACS Nano -lehdessä julkaistussa artikkelissa Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat esittelevät hybridimateriaalin, joka yhdistää hiilinanoputket ja grafeenin. Materiaalin sähkönjohtavuus on parempi kuin kummallakaan sen rakenteellisella komponentilla erikseen.

Aalto-yliopiston fysiikan professori Esko Kauppisen tutkimusryhmällä on vuosien kokemus hiilinanoputkien valmistuksesta läpinäkyviä sähköä johtavia kalvoja varten. Uudessa tutkimuksessa sovellettiin tutkimusryhmän kehittämiä tekniikoita ja asetettiin tiiviitä, puhtaita, sattumanvaraisesti järjestyneitä nanoputkiverkostoja grafeenin päälle.

”Kyseessä on uusi sovellus teknologioille, joita olemme kehittäneet viime vuosikymmenten aikana. Yksinkertaisesti sanottuna työssä yhdistetään kahta materiaalia ilman liuottimia”, Kauppinen sanoo.

Tutkimuksessa käytettiin termoforeesiksi kutsuttua prosessia, jolla nanoputket asetettiin esivalmistettujen grafeenielektrodien päälle. Näin aikaansaadut hybridikalvot johtivat sähköä noin kaksi kertaa odotettua paremmin.

Wienin yliopistossa professori Jani Kotakosken johtaman tutkimusryhmän suorittamat kokeet osoittivat, että grafeenin erinomainen sähkönjohtavuus paransi elektronivirtaa nanoputkien välillä aiheuttamalla varausten tunneloitumista. Tutkimusryhmä tarkasteli materiaalia yksittäisten atomien tasolla pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskoopin avulla. Grafeenin ja nanoputkien välisen van der Waals -voiman havaittiin olevan riittävä muuttamaan pyöreät nanoputkijoukot tasaisiksi kaistaleiksi.

 ”Uusi lähestymistapa on kerrassaan nerokas”, sanoo tutkija Kimmo Mustonen Wienin yliopistosta.

”Nanomateriaalien sähkönjohtavuus on erittäin herkkä ulkoisille vaikutuksille. Siksi on tärkeää välttää ylimääräisiä vaiheita materiaalin prosessoinnissa, kun halutaan tuottaa mahdollisimman hyvin sähköä johtava kalvo.”

Mustosen mukaan löytö on merkittävä, vaikka jo etukäteen oli tiedossa, että materiaalien keskinäinen vuorovaikutus on voimakas.

”Esimerkiksi grafiitista voidaan ajatella, että se on vain suuri määrä toisiinsa sitoutuneita grafeenikerroksia. Emme kuitenkaan osanneet odottaa, että sillä olisi näin suuri vaikutus sähkönjohtavuuteen.”

Tutkimuksen tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia samankaltaisten hybridinanomateriaalien sähkönjohtavuuden parantamiseen. Artikkeli julkaistiin ACS Nano -lehdessä syyskuussa 2019.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Professor Marko Hinkkanen/ Aalto University/ photo: Anni Hanén
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Marko Hinkkaselle IEEE Fellow -arvo

Professori Hinkkanen saa tunnustusta sähkömoottorikäyttöjen ja verkkosuuntaajien ohjausmenetelmien kehitystyöstä.
Hanna-Kaisa Korolaisen väitöskirjan The Making of Inspiration sisäaukeama.
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto ARTS Booksille kultaa kansainvälisessä ICMA-kilpailussa sekä tieteellisten että oppikirjojen sarjassa

Neljä Aalto ARTS Booksin kirjaa palkittiin ICMA (International Creative Media Award) -kilpailun kirjojen osiossa.
Professor Jens Schmidt opening the first Aalto Alumni Strategy Circle. Audience in the front.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto Alumni Strategy Circle -tapahtumassa jaettiin fuusioiden ja yrityskauppojen parhaita käytäntöjä

Aalto Alumni Strategy Circle kokoaa yhteen strategia-alan ammattilaisia ja yritysjohtajia oppimaan ja vaihtamaan ajatuksia strategian ajankohtaisista aiheista.
Alustatalouden faktat ja myytit studiossa Heli Koski, Jussi Mäkinen, Timo Seppälä ja William von der Pahlen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Alustasääntelyn kiemuroissa – Alustatalouden F&M ruotii digitaalisten markkinoiden sääntelyä

Digitaalisia markkinoita pyritään sääntelemään EU-tasolla, mutta nyt sääntelyä uhkaa olla jo niin paljon, että kuluttajien ja yritysten on vaikea saada niistä selkoa.