Tulostettava versio

Jotta vedystä olisi tulevaisuuden polttoaineeksi, pitää räjähdysaltis kaasu pystyä säilömään turvallisesti. Timo Vehviläinen tutki väitöstyössään, voisiko vetyatomit pakata pallomaisiin hiilirakenteisiin.

Aalto-yliopiston tutkija Timo Vehviläisen kanssa keskustellessa käy selväksi, että koulufysiikan opit hiilestä on syytä päivittää nopeasti. Tutut hiilen rakennemuodot, grafiitti ja timantti, ovat saaneet viimeisen vuosikymmenen aikana rinnalleen kymmeniä uusia hiilirakenteita. Jalkapallon muotoinen pallohiili fullereeni ja yhden atomikerroksen paksuinen hiililevy grafeeni ovat tuoneet löytäjilleen Nobelin palkinnot.

Vehviläinen tutki väitöstyössään, voisiko uusia hiilimateriaaleja hyödyntää vedyn varastoinnissa. Vehviläisen erityisen mielenkiinnon kohteena oli pienin mahdollinen fullereenimolekyyli, kahdestakymmenestä hiiliatomista muodostuva pallomainen C20. Tärkeä tutkimuskysymys oli, sopisiko pallohiili vedyn varastointiin.

– Joissain tutkimuspapereissa ehdotetaan, että fullereenin sisään voitaisiin varastoida jopa 60 vetyatomia, Vehviläinen kertoo.

Hiili on keskeisessä roolissa maailman energiahuollossa – ja kasvihuoneilmiön aiheuttajana. Ehtyviä fossiilisia polttoaineita korvaamaan on ehdotettu vetyä, mutta herkästi räjähtävän kaasun valmistus ja varastointi on suuri ongelma.

– Turvallisinta olisi, jos saisimme vedyn sitoutumaan kiinteään aineeseen ja irtoamaan siitä tarvittaessa helposti, Vehviläinen kertoo.

Kokeelliset fyysikot ovat parhaimmillaan saaneet vetyä sitoutumaan kiinteään aineeseen kahdeksan painoprosentin verran.

Huippuyksikössä lasketaan supertietokoneilla

Timo Vehviläisen työpaikka on Suomen Akatemian jo kolmanneksi kuusivuotiskaudeksi valitsema Laskennallisen nanotieteen huippuyksikkö COMP. Vehviläinen ja hänen kollegansa etsivät laskennallisin menetelmin uusia nanomateriaaleja ja -rakenteita. Laskennallisten fyysikoiden perustyökalu on supertietokone, joilla simuloidaan luonnossa tapahtuvia atomitason fysikaalisia ilmiöitä.

– Lähdemme liikkeelle kvanttimekaniikan perusperiaatteista, Vehviläinen kertoo.

Useiden satojen prosessorien voimin numeroita murskaavat tietokoneet saa nekin polvilleen, kun simuloidaan vaikkapa vetyatomien sitoutumista uusiin hiilirakenteisiin. Laskennan kesto kasvaa sitä mukaa, kun atomien määrää lisätään.

– Tyypilliset simulaatiot käsittävät noin sata atomia.

Tietokoneiden kehityksen myötä laskennalliset fyysikot voivat nykyisin operoida materiaaleilla, joita ei ole olemassa – vielä. Jos simulaatiot paljastavat materiaalin ominaisuuksiltaan mielenkiintoiseksi, ryhtyvät kokeelliset fyysikot töihin.

– Kun aloitin väitöstutkimusta, esimerkiksi C20-fullereenin syntetisointia pidettiin mahdottomana. Nyt se on jo mahdollista.

Vehviläinen uskoo, että kymmenen vuoden päästä väitöstyössä simuloitujen materiaalien syntetisoiminen ei ole mikään ongelma. Alan kehitys on ollut huimaa.

Uusia hiilirakenteita löytyi

Vehviläinen esittelee ylpeänä väitöstyönsä alkupään paperia, jossa hän ennusti uusia hiilirakenteita. Kiinnostavin näistä on kvasigrafeeni, joka on rakenteeltaan hiilinanoputkien ja grafiitin risteytys.

– Sen mekaaniset ominaisuudet ovat kuten hiilinanoputkella, joka on vetolujuudeltaan paljon terästä vahvempaa. Toisessa suunnassa se taas on pehmeää kuin grafiitti, Vehviläinen kuvaa ihmeainetta.

Myös materiaalin sähköiset ominaisuudet ovat yhdistelmä molemmista.

– Rakenteen tietyt suunnat ovat puolijohtavia, toiset johtavia.

Vehviläinen ennusti väitöstyössä myös uusia kolmeulotteisia hilarakenteita pallohiilille. Näitä fullereenipolymeerejä voidaan valmistaa kuten keinotimantteja grafiitista, puristamalla fullereenimolekyylejä kovassa paineessa.

Vehviläisen lista polymeerien mahdollisista käytännön sovelluksista on pitkä: Vedyn varastointi, äärimmäisen kestävät materiaalit, elektroniikkakomponentit, kvanttipisteet.

Hiili on äärimmäisen monipuolinen materiaali.

Vetyvarasto odottaa löytäjäänsä

Entä onnistuiko vedyn varastointi uusiin nanomateriaaleihin?

– Olisimme jo maailmankuuluja, jos se olisi löytynyt,  Vehviläinen toteaa.

Vehviläisen simulaatiot fullereenilla ja vedyllä paljastivat, että atomimuotoinen vety sitoutuu fullereeniin liiankin hanakasti. Vetyatomit saadaan kyllä fullereenipallon sisään, mutta vedyn irrottaminen fullereenista on äärimmäisen vaikeaa. Käytännön sovellus edellyttäisi, että kiinteään aineeseen sitoutunut vety saadaan myös irtoamaan tarvittaessa.

Ei Vehviläinen tosin käytännön sovellusten perässä vielä ollutkaan. Kyse oli atomitason perustutkimuksesta.

– Kukaan ei ollut aikaisemmin tutkinut vedyn ja fullereenin vuorovaikutusta kunnolla.

Tietokonesimulaatiot toivat tutkijoille paljon uutta tietoa vedyn kiinnittymisestä uusiin hiiliyhdisteisiin. Vehviläinen pystyy ennustamaan esimerkiksi, mihin fullereenimolekyylin hiiliatomiin vety todennäköisimmin kiinnittyy.

Kokeissa selvisi myös mielenkiintoista fysiikkaa.

– Yksi vetyatomi tekee joistain fullereenimolekyyleistä magneettisia. Vielä ei tiedetä, mistä se johtuu.

Vedyn säilömistä tutkitaan seuraavaksi atomivedyn sijasta luonnossa esiintyvillä H2-molekyyleillä.

– Todennäköisesti molekyylivety muodostaa löyhempiä sidoksia, Vehviläinen arvioi.

Kilpajuoksu vetyvaraston keksimiseksi siis jatkuu, niin Otaniemessä kuin laboratorioissa ympäri maailmaa.

Kvasigrafeeni on toiseen suuntaan vahvempaa kuin teräs, toiseen suuntaan pehmeää kuin grafiitti.