Tutkijat valmistivat hiilinanoputkista ensimmäistä kertaa värillisiä kalvoja – käyttökohteita kosketusnäytöissä ja uudenlaisissa aurinkokennoissa

Yksiseinäisiä hiilinanoputkia eli erikokoisiksi ja -muotoisiksi rullattuja yhden atomikerroksen paksuisia grafeeniliuskoja hyödynnetään jo nyt elektroniikassa sekä kosketusnäytöissä ja -pinnoissa.

Hiilinanoputket ovat yleensä aina mustia tai tummanharmaita. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden tavan hallita hiilinanoputkien valmistusta ja pystyneet luomaan erivärisiä, vihreitä, ruskeita ja hopeanharmaita ohutkalvoja. Tulokset on julkaistu juuri Journal of the American Chemical Society -lehdessä.

Tutkijat uskovat, että tämä on ensimmäinen kerta, kun värillisiä hiilinanoputkia on tuotettu suoralla synteesillä. Suorassa synteesissä kalvot saavat värinsä jo valmistusprosessin aikana sen sijaan, että valmiita nanoputkia puhdistettaisiin jälkeen päin.

Suoralla synteesillä voidaan valmistaa kerralla suuria määriä puhdasta ja virheetöntä materiaalia. Jälkikäsittely vie suoraa valmistusta huomattavasti enemmän aikaa, tuotantomäärät jäävät pienemmiksi, ja puhdistaminen usein vahingoittaa nanoputkien rakennetta. Aalto-yliopiston tutkijaryhmän valmistusmenetelmä lupaa siis erittäin hyvää tulevaisuuden sovellusten kehittämiselle.

”Värillisiä ohutkalvoja voitaisiin käyttää värikkäiden kosketusnäyttöjen tai optisilta ominaisuuksiltaan täysin uudenlaisten aurinkokennojen valmistamiseen”, professori Esko Kauppinen kertoo.

Värien saaminen hiilirakenteisiin edellyttää nanoputkien rakenteen hallintaa ja muokkaamista atomin tarkkuudella valmistuksen aikana. Kauppisen ja hänen työryhmänsä valmistusmenetelmä on poikkeuksellinen: nanoputket kasvatetaan metallin ja hiilen aerosoleista kaasun muodossa, ja niiden avulla putkien rakennetta on mahdollista muokata.

”Hiilinanoputkien kasvattaminen muistuttaa kasvien kasvattamista: tarvitaan siemeniä, lannoitetta ja auringon lämpöä. Käytämme raudan aerosolinanohiukkasia katalyyttina eli siemeninä, lannoitteena ja hiilen lähteenä hiilimonoksidia sekä reaktoria, jonka lämpötila nousee yli 850 asteen”, tutkija Hua Jiang selittää.

Ryhmällä on pitkä kokemus näiden ainesosien käyttämisestä nanoputkien valmistuksessa. Heidän viimeisin keksintönsä on lisätä kasvatusreaktoriin pieniä määriä hiilidioksidia.

”Hiilidioksidin avulla voimme säädellä eriväristen hiilinanoputkien kasvua”, Jiang sanoo.

Ohutkalvojen atomitason rakenteesta tutkijat pääsevät perille elektronidiffraktiotekniikan avulla eli kiihdyttämällä elektroneja kasvatettujen nanoputkien läpi. Tutkijat havaitsivat, että värillisten ohutkalvojen rakenteiden kierteisyys oli erittäin kapeasti jakautunut eli nanoputkien seinien kennomaiset muodot olivat lähes yhdensuuntaisia läpi koko kalvon. Hiilinanoputkien sähköiset ja optiset ominaisuudet – ja tutkijoiden mukaan siis myös väri – riippuvat pitkälti juuri rakenteiden kierteisyydestä.

Kauppisen mukaan valmistusmenetelmä skaalautuu helposti teollisiin tarpeisiin: ohutkalvoja voisi suuremmalla laitteistolla valmistaa paitsi edullisesti myös teknologiseen soveltamiseen vaadittavia määriä.

”Tähän asti on täytynyt pitkälti valita joko massatuotanto tai nanoputkien rakenteiden huolellinen hallinta. Läpimurtomme ansiosta molemmat ovat nyt mahdollisia”, tutkijatohtori Qiang Zhang sanoo.

Ryhmä aikoo jatkotutkimuksessaan selvittää yksityiskohtaisesti, miten hiilidioksidin lisääminen muuttaa nanoputkien rakennetta ja saa aikaan eri värejä.

”Tavoitteemme on tuntea kasvatusprosessi läpikotaisin ja kasvattaa nanoputkia, joiden atomirakenne on kauttaaltaan samanlainen. Silloin yksiseinäisiä hiilinanoputkia voisi käyttää valmiina rakennuspalikoina uuden sukupolven nanoelektronisissa laitteissa”, professori Kauppinen sanoo.

Tutkimusartikkeli:
Yongping Liao, Hua Jiang, Nan Wei, Patrik Laiho, Qiang Zhang, Sabbir A. Khan, Esko I. Kauppinen: ‘Direct Synthesis of Colorful Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films’. Journal of the American Chemical Society (2018) 140:31, pp 9797–9800. DOI: 10.1021/jacs.8b05151.

Lisätietoja:
Esko Kauppinen, professori
Aalto-yliopisto
esko.kauppinen@aalto.fi
puh. 040 509 8064

Hua Jiang, tutkija
Aalto-yliopisto
hua.jiang@aalto.fi
puh. 050 594 2367

Nanomaterials -tutkimusryhmä
Teknillisen fysiikan laitos