Uutiset

Tärkeää väriainetta voi tehdä murto-osalla nykyisestä liuotinmäärästä – kiitos uuden valmistusmenetelmän

Ftalosyaniini-väriaineella on sovelluksia esimerkiksi uusiutuvan energian tuotannossa, nanolääketieteessä ja kuvantamisessa. Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, miten sitä voi valmistaa ympäristöystävällisemmin kiinteän aineen synteesillä.
Koeputkia, joissa on eri värisiä nesteitä.
Värin muutos 48 tunnin aikana. Kuva: Aalto-yliopisto / Sandra Kaabel

Orgaanisilla eli hiiltä sisältävillä väriaineilla on luonnossa tärkeitä tehtäviä. Ne huolehtivat esimerkiksi hapen ja muiden kaasujen kuljetuksesta elimistössä (osana hemoglobiinia) ja muuttavat auringon energiaa kemialliseksi energiaksi fotosynteesissä (lehtivihreä eli klorofylli).

Myös ihminen on opetellut valmistamaan ja hyödyntämään orgaanisia väriaineita. Yksi ryhmistä on ftalosyaniinit, joille löytyy käyttökohteita muun muassa teollisuuden prosesseissa, kuvantamisessa, nanolääketieteessä sekä aurinkokennoissa ja muussa optoelektroniikassa. Ftalosyaniinien valmistukseen liittyy kuitenkin ongelma, kertoo Aalto-yliopiston akatemiatutkija Eduardo Anaya.

”Orgaanisten värianeiden valmistuksessa käytetään runsaasti liuottimia kuten dimetyyliaminoetanolia (DMAE). Se on syövyttävä, helposti syttyvä, bioaktiivinen ja haitallinen ympäristölle. ”

Tuoreessa tutkimuksessa Anaya ja hänen kollegansa osoittavat, miten ftalosyaniineja voidaan valmistaa ympäristöystävällisemmin niin sanotun kiinteän aineen synteesin avulla. Tutkimuksen juuri julkaissut Angewandte Chemie International Edition -tiedelehti nosti sen ”päivänpolttavien” artikkelien kategoriaan.

Yksin Euroopan unionin teollisuus käyttää eri prosesseissaan 10 000 tonnia DMAE:ta vuodessa.

”Meidän menetelmässämme liuotinta tarvitaan alla sadasosa nykymenetelmään verrattuna”, kertoo tutkijatohtori Sandra Kaabel, joka yhdessä Anayan kanssa oli tutkimuksen pääkirjoittajia.

Tiimi käytti lähtöaineena ftalonitriiliä, joka on yleinen orgaaninen yhdiste värien valmistuksessa. Se käsiteltiin muutamalla pisaralla DMAE:ta ja sinkkitemplaatilla kuulamyllyssä. Sen jälkeen seosta vanhennettiin 55-asteisessa uunissa viikon ajan tai 100-asteisessa uunissa kaksi vuorokautta.

”Kiinteän aineen synteesillä kemikaaleja voi valmistaa ilman, että reaktion osaset pitää liuottaa. Oli kiehtovaa nähdä, miten väri muuttui alun värittömästä ensin vihreäksi ja sitten syvän siniseksi – todistaa omin silmin, miten menetelmä toimi”, Kaabel sanoo.

Perinteisessä menetelmässä liuotin kuumennetaan 160–250-asteiseksi, ja valmiin väriaineen määrä on pienehkö suhteessa käytettyihin materiaaleihin ja aikaan. Aalto-yliopiston tutkijoiden menetelmä toimii hyvin pienellä liuotinmäärällä ja matalammassa lämpötilassa, mikä nelinkertaisti valmistuksen hyötysuhteen.

sinistä väriainetta kasassa
Kiinteän aineen synteesillä saatua väriainetta. Kuva: Aalto-yliopisto / Sandra Kaabel

Esikuva luonnosta, idea kahvihuoneesta

Ftalosyaniinin molekyylirakenne tekee siitä muuntautumiskykyisen moniin eri sovelluksiin.

”Luonto on inspiroiva esikuva, joka on miljoonien vuosien aikana luonut orgaanisia värejä moniin eri tarkoituksiin”, Anaya sanoo.

”Me voimme napata ne sellaisenaan ja hyödyntää värejä esimerkiksi keinotekoisessa fotosynteesissä energian tuottamiseen. Tai viedä ideat vielä pidemmälle.”

Ideoita syntyy ja jalostuu muun muassa Aallon ja VTT:n yhteisessä FinnCERES-osaamiskeskuksessa, joka on erikoistunut uusien biomateriaaliratkaisujen kehittämiseen.

Yksi lupaava sovellusala on biolääketiede. Parhaillaan tutkimusryhmä kehittää FinnCERES-hankkeessa selluloosamateriaalia, joka steriloi itse itsensä väriaineen ja valon käynnistämän reaktion avulla.

Uusia ideoita syntyy kohtaamisissa – laboratorioissa ja niiden ulkopuolella.

”Nyt julkaistun tutkimuksenkin ideaa aloimme pallotella kahvihuoneessa – ja sitten vain lähdimme kokeilemaan”, kertoo väitöskirjatutkija ja tutkimuksen ykköskirjoittaja Daniel Langerreiter.

Artikkeli: A Greener Route to Blue: Solid-State Synthesis of Phthalocyanines
Daniel Langerreiter, Mauri A. Kostiainen, Sandra Kaabel, Eduardo Anaya-Plaza

Linkki artikkeliin (onlinelibrary.wiley.com)

FinnCERES

FinnCERES on Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteinen materiaalien biotalouden osaamiskeskus. FinnCERESin tavoitteena on kehittää puuraaka-aineesta biotalouden materiaaleja varmistaen samalla edellytykset kestävään, ympäristöä säästävään tulevaisuuteen.

Lue lisää
Birch leaves. Photo: Valeria Azovskaya
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Nainen rannalla tuulisella säällä hymyilee, taustalla meri kuohuaa
Nimitykset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Ranja Hautamäki: ”Monimuotoinen kaupunkiluonto on keskeinen tekijä hyvinvoinnin ja hiilinielujen lisäämiseksi”

Maisema-arkkitehtuurin professori ratkoo ilmastonmuutoksen hillintää ja kaupunkiluonnon hiilinieluja koskevia kysymyksiä.
NASAn Curiosity-mönkijä kuvaama pölypyörre Marsin Gale-kraatterissa. Kuvankäsittely: Henrik Kahanpää. Alkuperäinen kuva: NASA / JPL-Caltech
Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Marsin sää vaihtelee rajusti, mutta sen ilmasto ei ole muuttumassa

Väitöstutkimuksessaan Henrik Kahanpää myös kyseenalaistaa Marsin pölypyörteisiin liittyvän vallitsevan käsityksen. Tutkijana hän toivoo, että ihminen ei koskaan menisi Marsiin.
A portrait of Laureen Mahler.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Laureen Mahler luo origamitaitosten avulla biopohjaisia ja myös katseita kestäviä pakkauksia

Monet pakkausteollisuuden tuotteet perustuvat muoviin ja muihin fossiilipohjaisiin materiaaleihin. Aalto-yliopiston Bioinnovaatiokeskuksessa kehitetään origamitaitoksiin perustuvia ekologisia pakkausratkaisuja, joilla on arvoa myös kauniina esineinä.
 Tutkimustyössä hyödynnetään Aalto-yliopiston radiokaiutonta huonetta Otaniemessä. Kuva: Aalto-yliopisto / Unto Rautio
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Uusi tohtorikoulutusohjelma keskittyy radioaaltojen energiatehokkuuteen

Nokian lahjoitus Aalto-yliopistolle kohdistuu tulevaisuuden matkaviestinjärjestelmiin ja erityisesti laitekehityksen tutkimukseen.