Suomalainen materiaalitutkimus näyttävästi esillä

Advanced Materials julkaisee artikkeleita kemian ja fysiikan huippututkimuksesta funktionaalisiin materiaaleihin liittyen. Suomalaiselle funktionaaliselle materiaalitieteelle omistetussa erikoisnumerossa esitellään viisi Aalto-yliopiston tutkijoiden artikkelia, jotka on julkaistu lehden aiemmissa numeroissa.

Polttokennoilla ja uusilla energian varastointi- ja muuntolaitteilla voidaan edesauttaa ilmastonmuutoksen torjuntaa. Polttokennojen osalta yksi suurimmista haasteista on se, miten sähkökatalyyteistä saadaan entistä taloudellisempia heikentämättä niiden toimivuutta tai kestävyyttä. Katalyyttien vaihtoehtoiseksi raaka-ainelähteeksi on ehdotettu kestäviä ja runsaita biomassaresursseja. Artikkelissa ”Advanced Biomass‐Derived Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction” tutkijat tekevät katsauksen hapen pelkistysreaktiossa käytettäviin uusimpiin sähkökatalyytteihin, jotka ovat peräisin biomassasta. Hapen pelkistysreaktio vaikuttaa huomattavasti useiden energianmuuntolaitteiden suorituskykyyn. Artikkelin mukaan biomassasta peräisin olevien nanomateriaalien yhdistäminen energianmuuntolaitteisiin on ollut erittäin lupaavaa.

DNA-molekyylejä voidaan käyttää rakennusmateriaalina täsmällisissä, bioyhteensopivissa ja funktionaalisissa nanorakenteissa erilaisiin biologian, kemian ja fysiikan sovelluskohteisiin. ”Evolution of Structural DNA Nanotechnology” tekee yhteenvedon siitä, miten nanorakenteet ovat viime aikoina kehittyneet suunnittelu- ja simulointiohjelmien ohella. Samalla on myös pystytty huomattavasti monipuolistamaan nanorakenteiden muotoja. Tutkijat pystyvät nykyään valitsemaan sopivimmat valmistusmenetelmät ja suunnitteluparadigmat monista vaihtoehdoista – tässä artikkelissa korostetaan erityisesti DNA-origamia ja siihen liittyviä tekniikoita – luodessaan ainutlaatuisia DNA-nanorakenteita ja -muotoja. Näillä on valtava määrä sovelluskohteita materiaalitieteessä, optiikassa, plasmoniikassa, molekyylien asemoinnissa ja nanolääketieteessä.

Artikkelissa ”Superhydrophobic Blood‐Repellent Surfaces” lukijalle esitellään mikro- ja nanorakenteisten superhydrofobisten eli erittäin tehokkaasti nesteitä hylkivien pintojen mahdollisuuksia ja hyödyntämistä veren kanssa kosketuksissa oleviin lääkinnällisiin laitteisiin ja implantteihin. Superhydrofobisuus saadaan aikaan nano- ja/tai mikromittakaavan pinnan karkeudella yhdistettynä matalan pintaenergian kemiaan, tavallisesti hiilivety- tai fluorihiilipinnoitteilla. Veri on haastava neste, koska sillä on voimakas taipumus hyytymiseen ja verihiutaleiden aktivoitumiseen joutuessaan kosketuksiin vieraiden pintojen kanssa. Veren hyytymistekijöiden aktivoituminen voi aiheuttaa verisuonitukoksia, jotka estävät veren virtaamisen ja altistavat kudokset infarktille. Verta hylkivien superhydrofobisten pintojen tarkoituksena on vähentää veren kanssa kosketuksissa olevien laitteiden ja implanttien pintojen trombogeenisyyttä eli veren hyytymistä lisäävää vaikutusta.

Edullisten, kevyiden ja erinomaisen mekaanisen suoritustehon omaavien materiaalien kysyntä kasvaa. Artikkelissa ”Advanced Materials through Assembly of Nanocelluloses” tutkijat arvioivat uusimpia prosesseja ja useita funktionalisointitapoja, joilla nanoselluloosista saadaan kysyntään vastaavia, kestäviä materiaaleja. Nanoselluloosat ovat monipuolisia alustoja hallituille rakenteille ja räätälöidyille ominaisuuksille. Niitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi kudosten valmistusalustoina, joita onkin jo tulossa markkinoille. Artikkelissa esitellään nanoselluloosaan perustuvia joustavia laitteita ja antureita, joissa hyödynnetään materiaalin läpinäkyvyyttä ja muita ominaisuuksia. Erityisesti kasvipohjaisten nanoselluloosien huolellisella kehittämisellä odotetaan olevan valtava vaikutus kestävän energian alalla, korkean teknologian vaateteollisuudessa ja 3D-materiaaleissa.

Epälineaarinen optiikka on keskeisiä yhteiskuntamme kehitystä vauhdittavia teknologioita, sitä käytetään esimerkiksi optisessa kuvantamisessa ja erittäin nopeassa tiedonsiirrossa. Artikkelissa ”Nonlinear Optics with 2D Layered Materials“ esitellään, miten grafeenin kaltaisten materiaalien poikkeuksellisen voimakasta epälineaarista optista vastetta voidaan käyttää erilaisissa optisissa ja optoelektroniikan sovelluksissa. Tutkijat raportoivat myös erilaisten, vain muutamien atomikerrosten paksuisten materiaalien ja niiden yhdistelmien rakenteita ja mahdollisia uusia tutkimussuuntia. Tuoreimmat alan tutkimukset voivat johtaa uuden sukupolven epälineaarisiin fotonisiin laitteisiin, joilla on paljon erilaisia sovelluskohteita esimerkiksi mikrokirurgiassa, mikrovalmistuksessa, sensoreissa, kuvantamisessa sekä kvanttiteknologioissa.

Kuva: Valeria Azovskaya

Advanced Biomass‐Derived Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction
Maryam Borghei, Janika Lehtonen, Liang Liu, Orlando J. Rojas
First published: 4 December 2017
https://doi.org/10.1002/adma.201703691

Evolution of Structural DNA Nanotechnology
Sami Nummelin, Juhana Kommeri, Mauri A. Kostiainen, Veikko Linko
First published: 24 January 2018
https://doi.org/10.1002/adma.201703721

Superhydrophobic Blood‐Repellent Surfaces
Ville Jokinen, Esko Kankuri, Sasha Hoshian, Sami Franssila, Robin H. A. Ras
First published: 21 February 2018
https://doi.org/10.1002/adma.201705104

Advanced Materials through Assembly of Nanocelluloses
Eero Kontturi, Päivi Laaksonen, Markus B. Linder, Nonappa, André H. Gröschel, Orlando J. Rojas, Olli Ikkala
First published: 5 March 2018
https://doi.org/10.1002/adma.201703779

Nonlinear Optics with 2D Layered Materials
Anton Autere, Henri Jussila, Yunyun Dai, Yadong Wang, Harri Lipsanen, Zhipei Sun
First published: 25 March 2018
https://doi.org/10.1002/adma.20170596