Tulostettava versio

Euroopan tutkimusneuvosto myönsi Aalto-yliopiston 2,3 miljoonan euron rahoituksen biomimeettisten nanomateriaalien tutkimukseen. Akatemiaprofessori Olli Ikkalan tutkimusryhmä on onnistunut tuottamaan luonnon kovia materiaaleja jäljitteleviä nanomateriaaleja.

Ikkalan tutkimusryhmä on erikoistunut makromolekyylien itsejärjestymiseen ja miten sitä voidaan käyttää funktionaalisten materiaalien aikaansaamiseksi.
 
Ikkalan ryhmä on kiinnostunut luonnossa esiintyvistä lujista ja keveistä itsejärjestyneistä nanokomposiittirakenteista, kuten simpukan kuoren alla esiintyvästä helmiäisaineesta sekä silkin ja nanoselluloosan kaltaisista biologisista kuiduista. Useat luonnon lujat materiaalit rakentuvat sekä yhdensuuntaisista lujista elementeistä että pehmentävistä ja sitkistävistä makromolekyyleistä. Rakenteita muodostuu kaiken kokoisia, ja niissä yhdistyvät vastakkaiset ominaisuudet: lujuus ja sitkeys.
 
Materiaalitieteen kannalta on houkuttelevaa tunnistaa ominaisuuksien fysikaaliset syyt ja tuottaa vastaavia rakenteita ja toimintoja.  Luonnon materiaalit ovat muodostuneet pitkän evoluution aikana, ja niiden tuottaminen on hidasta ja erittäin kallista. Biomimetiikka tutkii siis keinoja luonnon materiaalinmuodostuksen jäljittelemiseksi.
– Luonnossa olevat materiaalit ovat usein yhtä aikaa jäykkiä, lujia, sitkeitä ja keveitä. Tällaisen materiaalin suunnitteleminen  on hyvin vaikeaa, mutta luonnosta oppia ottamalla olemme siinä edistyneet, akatemiaprofessori Olli Ikkala kertoo.
 
Sovellusten tavoitteena teknologinen tuotannollisuus, mutta Ikkala huomauttaa sovellusten nousevan vain nanorakenteiden teoreettisen ymmärryksen kautta.
– Lopulta näköpiirissä on jopa suunnitella luontoa parempia uusia materiaaleja, joilla on uusia ominaisuusyhdistelmiä, Ikkala ennakoi.
 
Ikkalan ryhmä on jo onnistunut tuottamaan monenlaisia nanomateriaaleja.
– Pyrimme jäljittelemään esimerkiksi simpukankuoren ja silkin ominaisuuksia. Runsas vuosi sitten esittelimme ensimmäisenä maailmassa kevyen ja lujan helmiäisen materiaalin, jota on varsin helppo tuottaa. Tärkeä tieteellinen ongelma on selvittää, miten sitkeyttä aikaansaavat polymeerit käyttäytyvät nanokoossa. Olemme myös valmistaneet uudenlaisia taipuisia ja funktionaalisia, ultrakevyitä huokoisia materiaaleja eli aerogeeleja.
 
Materiaalien ominaisuudet aukeavat vähitellen
 
Biomimeettisten nanokomposiittien ominaisuuksien tutkimus perustuu itsejärjestymisen lähtöaineiden selvittämiseen. Lähtöaineita voivat olla esimerkiksi nanoliuskeet, polymeerit, hiilen uudet olomuodot, pinta-aktiivit ja myös nanoselluloosa.
– Selluloosa on erityisen kiinnostava, koska se on maailman yleisin polymeeri, ja sitä saadaan uusiutuvista metsistämme. Nanokokoiset selluloosakuidut vertautuvat lujuudeltaan metalleihin, mistä kumpusikin kiinnostus nanoselluloosan hyödyntämiseen biomimeettisten itsejärjestyvien lujien materiaalien suunnittelussa, Ikkala kertoo.
 
– Silkki on malliesimerkki mekaanisesti erinomaisesta kuidusta, tosin vain kallis. Sitä osataan jo tehdä mikrobiologisin ja geneettisin menetelmin, mutta tuotantokustannukset ovat silloinkin korkeita.
Syitä silkin erinomaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin ei vieläkään täysin tunneta, joten silkin biometiikkakin on vielä alkutekijöissään.
 
Tutkimme  nanoselluloosaan ja makromolekyylien itsejärjestymiseen perustuvia kehrättäviä biomeettisiä kuituja ja kalvoja. Yhdistämme koko ajan kasvavaa tietoa silkin ja muiden biologisen materiaalien ominaisuuksiin vaikuttavista rakenteista, Ikkala avaa tutkimustaan.
 
Euroopan tutkimusneuvoston rahoituksella ryhmä pääsee myös tutkimaan, miten biomimeettisiä materiaaleja voidaan säädellä ulkoisesti ohjaamalla – kovasta pehmeäksi, ja takaisin.
– Tällä hetkellä maailmalla tutkitaan kiivaasti materiaalien haptiikkaa eli kosketuskäyttäytymistä.  Molekyylimateriaalien laboratoriossa tutkitaan, miten materiaalien mekaanisia ominaisuuksia voidaan ohjailla, Ikkala kertoo.