Nina Forsman arvioi, että kaupallistamiseen menee vuosia. Kemian tekniikassa skaalaaminen laboratoriosta teolliseen tuotantoon vaatii rahaa. Jo pelkkä pilottilaitos on aina miljoonainvestointi.
Nina Forsman
Kuvaaja
Juho Kuva
Kirjoittaja
Petja Partanen

Goretexin luomuhaastaja

Nina Forsman kehitti väitöstyössään biopohjaisen pinnoitusmenetelmän, joka tekee luonnonkuiduista vedenpitäviä, mutta säilyttää hengittävyyden.

Nina Forsmanin väitöstilaisuus on korona-ajan olosuhteista huolimatta melkoinen yleisömenestys. Aalto-yliopiston kemian tekniikan salissa istuvat vain tekstiilien pinnoitusta tutkinut Nina Forsman ja hänen ohjaajansa, biotuotetekniikan professori Monika Österberg. Vastaväittäjä Aji Mathew ilmestyy videolähetykseen Tukholmasta etänä, ja 63 Zoom-lähetyksen katsojaa istuvat tietokoneidensa ääressä kuka missäkin.

– Tavoitteena oli kehittää ympäristöystävällisiä ja myrkyttömiä pinnoitteita, jotka tekevät selluloosasta hydrofobisen eli vettähylkivän, selvittää 
 Forsman ruotsinkielisessä lektiossaan tutkimuksen tavoitetta.

Hyvillä ominaisuuksilla on kääntöpuolensa.

Urheiluliikkeet ovat pullollaan teknisiä tekstiilejä, joita mainostetaan toinen toistaan paremmilla vedenpitävyys- ja hengittävyysominaisuuksilla. Niillä on yksi yhteinen piirre. Ne on valmistettu kestävistä ja halvoista muovimateriaaleista.

Hyvillä ominaisuuksilla on kääntöpuolensa: muovimateriaalit eivät häviä luonnosta mihinkään.

Forsman muistuttaa, että myös luonnonkuitu selluloosa on halpaa ja kestävää. Esimerkiksi vaateteollisuuden suosima puuvilla on lähes puhdasta selluloosaa. Sen huono puoli on hydrofiiilisuus.

– Se tarkoittaa, että se pitää vedestä.

Pinnoitteella uusia ominaisuuksia

Selluloosan vettähylkivyyttä ja muita ominaisuuksia voi muokata erilaisilla pinnoitteilla. Pahvipakkaukset saadaan vedenpitäviksi muovipinnoitteella ja puuvillasta tehtiin jo 1800-luvulla takkeja merenkävijöille pellavaöljykäsittelyn avulla.

Molemmat ovat hyviä ratkaisuja, paitsi ympäristön kannalta

Myös fossiilisista raaka-aineista valmistetut tekniset kuidut vaativat pintakäsittelyn, jotta niistä saadaan vettähylkiviä. Suosittuja menetelmiä ovat perfluoratut yhdisteet, joista osa on kielletty terveydelle vaarallisina, sekä erilaiset silikonipinnoitteet.

– Molemmat ovat hyviä ratkaisuja, paitsi ympäristön kannalta, Forsman toteaa.

Esimerkiksi Goretex-materiaalin valmistaja pyrkii kiivaasti eroon fluoriyhdisteiden käytöstä.

Onkin melkoinen tekninen haaste saada aikaan materiaali, joka on hyvin hengittävä, vedenpitävä – ja ekologinen.

Aalto-yliopiston tutkijat lähtivät etsimään vastausta luonnosta. Forsman tutki kankaiden pinnoitusta jo vuonna 2016 valmistuneessa diplomityössään. Sen pohjana oli tutkijakollega Alina Lozhechnikovan väitöstyö puun suojaamisesta kosteudelta ja auringon uv-säteilyltä.

Forsman selvitti miten puunsuojana lupaavaksi osoittautunut karnauba-vaha toimisi kankailla. Tutkimus vaikutti niin lupaavalta, että hänen professorinsa kysyi jo puolivälissä diplomityötä, kiinnostaisiko väitöskirjan teko samasta aiheesta.

– Olin jo ajatellut mennä johonkin yritykseen töihin, mutta aihe oli erittäin mielenkiintoinen, Forsman kertoo.

Muun muassa autovahoissa ja hedelmien pintakäsittelynä käytettävää karnauba-vahaa saadaan Brasiliasta karnaubapalmun lehdistä.

– Se on vahvin luonnonvaha, sulamislämpötila on yli 80 astetta, eli se ei sula ihoa vasten.

Sähkövaraus kiinnittää vahapallot

Vaatteiden vedenpitävyyttä parantavia vahoja on myyty vuosikymmeniä, mutta Forsmanin tutkimusryhmässä kehitetty pinnoitusmenetelmä on niihin verrattuna silkkaa hightechia, ja sopiva teolliseen valmistukseen.

Käsittelyssä vaha hajotetaan aluksi halkaisijaltaan puolen mikrometrin kokoisiksi negatiivisesti varautuneiksi vahapartikkeleiksi. Jotta mikroskooppiset vahapartikkelit saadaan kiinnittymään selluloosakuitujen pintaan, kostutetaan kangas ensin positiivisesti varautuneella liuoksella.

Aluksi vahan kiinnittämiseen käytettiin polylysiini-luonnonproteiinia, mutta väitöstyön kuluessa löytyi sille huomattavasti halvempi vaihtoehto, kationinen tärkkelys. Vedenpitävyys paranee entisestään, kun pinnoitussykli toistetaan. 
Uudenlaista vahakäsittelyä testattiin monilla eri materiaaleilla, puuvillalla, hampulla, viskoosilla ja tencelillä. Uusi vahakäsittely teki kankaasta vedenpitävän, mutta säilytti materiaalin luontaisen hengittävyyden.

Forsmanin väitöskirja esittelee valmiin reseptin pinnoitteen valmistamiseen, ja selittää mistä ilmiö johtuu.

Avainasemassa on pinnan karheus. Tuntuu oudolta, että karhea pinta parantaa vedenpitävyyttä.

– Kyse on nimenomaan mikrotason karheudesta, Forsman tarkentaa. 

Ilman mikroskooppia, pelkästään kangasta tunnustelemalla, en pysty päättelemään mitään sen vettähylkivyydestä, tutkija huomauttaa. Luonnon hydrofobiset pinnat, kuten palmunlehti, tuntuvat sormen alla hyvin sileältä. Mikroskooppi sen sijaan paljastaa lehden vahapinnan piikikkään mikrorakenteen. Se estää pintaa vettymästä, sillä vesipisara koskee pintaan vain pienellä alueella. 

Tutkijat mittaavat materiaalin vedenhylkivyyttä niin sanotulla kontaktikulmalla. Se kertoo, miten pallomaisena vesipisara pinnalla pysyy. Puuvillakankaan kontaktikulma saadaan osittain sulaneiden vahapartikkelien avulla kasvatettua jopa yli 150 asteen, jolloin pintaa sanotaan superhydrofobiseksi. Tällöin vesipisara valuu helposti pois pinnalta sitä kastelematta.

Samalla kankaan hengittävyys säilyy entisellään, aivan kuten parhaissa synteettisissä materiaaleissa ja pinnoitteissa.

Vaatevalmistaja innostui

Puolentoista tunnin keskustelun jälkeen väitöstilaisuus alkaa olla loppusuoralla. Vastaväittäjä Aji Mathew kertoo nauttineensa hyvin kirjoitetun työn lukemisesta.

Virallisen osuuden jälkeen Zoom-videoneuvottelun ruutu täyttyy väitöstilaisuutta seuranneiden onnitteluista ympäri maailmaa: Sveitsistä, Turusta, Portugalista ja Yhdysvalloista, jossa on vielä varhainen aamu.

– Kiva että jaksoit herätä näin aikaisin, Forsman nauraa.

Seuraavalla viikolla Nina Forsman vastaa toimittajan Zoom-puheluun kotonaan lattialla istuen, kesken muuttokiireiden.

– Väitöstilaisuuden etäyhteys tuntui paljon luonnollisemmalta kuin olisi uskonut. Mutta viime viikot on tottunut tekemään kaikki työt etänä, Forsman kertoo.

Sen sijaan väitöstä seurannut karonkka siirtyi maailmanlaajuisen koronaepidemian takia seuraavaan syksyyn, ja väitöksen jälkeiset kakkukahvitkin juotiin kotona.

– Onnitteluviestejä tuli, ja illalla syötiin poikaystävän kanssa hyvin.

Forsman kertoo, että muun muassa vaatevalmistaja Fjällräven on ollut kiinnostunut väitöskirjan tuloksista. Tutkimustuloksille tarvitaan tosin kaupallistaja, sillä vaateyritykset ostaisivat mieluiten valmiin vahatuotteen. Vahapinnoitteelle olisi käyttöä muuallakin.

– Tämä sopii kaikille selluloosapinnoille. Esimerkiksi paperista ja kartongista voi pinnoittamalla tehdä materiaaleja, jotka korvaisivat muoveja.

Aivan valmis tuote kaupan hyllylle tutkimusryhmän vahapinnoite ei vielä ole.

Suurin haaste on se, että vahapinta kestää kyllä vettä, mutta ei pyykinpesuaineita. 

– Meillä on kyllä idea sen ratkaisemiseksi.

Forsmanin innostus funktionaalisiin pinnoitteisiin sai alkunsa professori Monika Österbergin kursseilla, joissa perehdyttiin ”siisteihin juttuihin, kuten biomimetiikkaan”. Työt Österbergin johtamassa Bioproduct Chemistry -ryhmässä jatkuvat väitöksen valmistuttua.

Aallossa kehitetään monenlaisia puupohjaisia biomateriaaleja, joiden ominaisuuksia voisi muokata ryhmän pinnoitteilla.

Esimerkiksi naapurilaboratoriossa kehitetty puupohjainen Ioncell on vahva ehdokas vaateteollisuuden raaka-aineeksi niin ympäristöongelmia aiheuttavan puuvillan kuin synteettisten kuitujen rinnalle. Forsmanin väitöskirjan pinnoitereseptein siitäkin saadaan vettähylkivää, mutta hengittävää.

– Jos teet ekologisen tekstiilin, sitä ei pidä käsitellä epäekologisella pinnoitteella. ×

Nina Forsmanin tie tekniikan tohtoriksi

1991. Nina Forsman syntyy Helsingissä.
1995. Nelivuotias innostuu vappuna vanhempiensa tupsulakeista. 
– Sanoin, että minustakin tulee isona diplomi-insinööri.
2000. Kouluaikana urahaaveet vaihtuvat moneen kertaan. – Mutta luonnontieteet ovat aina olleet lähellä sydäntä.
2010. Forsman hakee myös yliopistolle biofysiikkaa opiskelemaan, mutta päätyy kuitenkin Aalto-yliopiston biotuotetekniikan opiskelijaksi. – Olin alusta alkaen Aallon opiskelija, 2010 oli Aalto-yliopiston ensimmäinen lukuvuosi.
2016. DI-työ valmistuu, jatko-opinnot alkavat lennosta.
2020. Väitöstyö Multifunctional coatings for plant-based textiles and other cellulosic substrates hyväksytään Aalto-yliopiston biotuotteiden ja biotekniikan laitoksella.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina? 
– Erittäin suuri visio on korvata kaikki muovit ja öljypohjaiset synteettiset materiaalit pinnoitetuilla biomateriaaleilla.

Suosikkileikkikalu? 
– Oboe. Se on ihan ammattilaissoitin, kullatut näppäimetkin.

Lempiharrastus?
– Musiikki. Kahdeksanvuotiaana aloitin nokkahuilulla. Menin musiikki­opistoon, ja soitin. ×

Tutkijasta toimitusjohtajaksi

Vaikka väitöstyö valmistui, säilyy Nina Forsmanin työpaikka entisellään – ainakin aluksi. Tutkimustyö jatkuu nyt ligniinipartikkelien parissa Business Finlandin rahoittamana.
– Tämä on tutkimuksesta liiketoimintaa -projekti, jossa mietitään myös kaupallistamista.
Tutkimusryhmässä kehitetty pallomaisten ligniinipartikkelien valmistusmenetelmä mahdollistaa selluteollisuuden sivutuotteena syntyvän ligniinin hyötykäytön. Käyttöä olisi esimerkiksi rakennusteollisuudessa, jossa luonnonpolymeeri ligniini voisi korvata muovimateriaaleja.
– Maalit, vanerien liimat, pinnoitteet, komposiittimateriaalit, Forsman listaa potentiaalisia käyttökohteita. 
Tutkijan haave on perustaa startup-yritys ja tuoda biopohjaiset materiaalit kuluttajien saataville. Pian selviää, että haaveesta on jo hyvää vauhtia tulossa totta. Tutkimusrahoitusta on, ja sen jälkeistä yritystoimintaa suunnitellaan vauhdilla.
– Olemme käyneet keskusteluja sijoittajien kanssa ja yrityksen ydintiimi on kasassa, Forsman kertoo.
Mikä on Forsmanin rooli suunnitteilla olevassa startupissa?
– On ajateltu että minusta tulisi CEO. Toivotaan, että saamme yrityksen kasaan. 
Forsman ei aio unohtaa myöskään väitöskirjansa tutkimustuloksia.
– Toivottavasti vahapartikkelipinnoitteet voisivat olla tulevaisuudessa yksi tuotteistamme. ×