Nanonuppu

Nanonuppu on fullereenin ja nanoputken muodostama materiaali, joka
yhdistää fullereenien kemialliset ominaisuudet ja nanoputkien mekaaniset ominaisuudet
sekä sähkönjohtavuuden.  Kyseiset
ominaisuudet ovat hyviä muun muassa kosketusnäyttöteknologiaan. Nanonuppua
hyödyntäviä sovelluksia on muutamia markkinoilla, mutta sen kehitystyö on vielä
kesken.

Historia

Nanonupun mahdollisuuksia on tutkittu 2000-luvun puolivälistä
lähtien. Vuonna 2004 Teknillisestä korkeakoulusta irtautui spin-off yritys
Canatu Oy. Yritys perustettiin nanonuppujen tutkimista ja kaupallista
hyödyntämistä varten. Perustajajäseninä olivat muun muassa tutkijat Esko
Kauppinen, David Brown, Albert Nasibulin ja Hua Jiang. Vuonna 2006
tutkimusryhmä teki läpimurron ja he onnistuivat syntetisoimaan nanoputkia
joihin oli liittynyt fullereeneja kovalenttisella sidoksella.  Nanonupuissa on ominaisuuksia aikaisemmin
löydetyistä hiilen allotroopeista: nanoputkista ja fullereeneista.

Rakenne ja ominaisuudet

Nanonuppu on hiilen yhdistelmämateriaali, joka
muodostuu yksiseinäisistä nanoputkista ja niiden ulkopinnoille kiinnittyneistä
fullereeneista. Pallomaiset fullereenimolekyylit ovat kiinnittyneet nanoputkiin
kovalenttisilla sidoksilla. Putkien pinnoilla olevat pallomaiset rakenteet ovat
havaittavissa atomitason elektronimikroskooppikuvissa.
Nanonupun ominaisuudet tulevat pääosin nanoputkesta ja
sen ominaisuuksista. Niiden sidokset ovat erittäin vahvat, ne ovat taipuisia ja
niiden sähköiset ominaisuudet ovat erinomaiset, kuten myös suuri
lämmönjohtokyky. Nanonuppu yhdistää fullereenien reaktiivisuuden ja hiilen
nanoputkien sähköiset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet. Nanonuppujen
ansiosta nanoputkiin voidaan räätälöidä haluttuja optisia ja elektronisia
ominaisuuksia sekä kehittää kestäviä yhdistelmämateriaaleja.

Valmistus

Ensimmäisen kerran nanonuppuja valmistettiin vuonna 2006 Teknisessä
korkeakoulussa suoritetussa kokeessa, joka perustui ferroseenihöyryn
hajoamiselle hiilimonoksidikaasussa. Hiilimonoksidia puhallettiin ferrosiinijauhetta
sisältävän kotelon läpi ja huoneenlämpöinen seos johdettiin vesijäähdytetyn
anturin läpi keraamiseen putkireaktoriin, jossa seokseen lisättiin
hiilimonoksidia. Seosta pidettiin 0,7 pascalin paineessa ja lämpötilaa
vaihdeltiin 800 °C ja 1 150 °C asteen välissä.
Canatu tutkii nanonuppujen valmistusta kaupallista käyttöä silmällä pitäen.
Se valmistaa nanonuput ensiksi aerosolin eli hiukkasten ja kaasun seoksen
muotoon. Sitten nuput painetaan suoraan ohuen muovikalvon päälle joustavaksi
pinnaksi. Korkean teknologian nanomateriaali syntyy yksinkertaisella
prosessilla halvoista lähtöaineista, hiilimonoksidista, rautametallijauheesta
ja sopivista lisäaineista. Tämä on huomattava parannus nanoputkikalvon
perinteiseen valmistusprosessiin, joka on sekä monimutkainen että kallis ja
riski vahingoittaa kalvoa puhdistusvaiheessa on merkittävä.

Sovellukset ja käyttö

Nanonuppua voidaan soveltaa moneen eri käyttötarkoitukseen. Sillä
on todettu olevan lukuisia etuja mekaanisissa, sähköisissä, kemiallisissa ja
optisissa ominaisuuksissa nanoputkiin verrattuna.
Nanopuppujen yhtenä sovelluksena on jatkokehitetty joustava
läpinäkyvä kalvo, joka tunnistaa kosketusta. Kalvo avaa uusia mahdollisuuksia
erityisesti joustavien kosketusnäyttöjen parissa. Kosketusnäytön voi sijoittaa
lähes minkä tahansa muotoiselle pinnalle. Johtoihin integroitavat painikkeet
tai muotoja muuttavat kosketusnäytöt saattavat olla tulevaisuuden sovelluksia.
Kalvot ovat joustavia, läpinäkyviä ja venyviä sekä niillä on erinomaiset
sähköiset ominaisuudet. Nanonuppuista tehtyjen kalvojen ominaisuutena on
havaita jopa kymmenen kosketusta samalla kerralla, joka entisestään lisää sen
käyttömahdollisuuksia.
Nanonupuista tehtävien kalvojen valmistus on ollut
kallista, joten raaka-aineen kilpailukyky kuluttajamarkkinoilla on ollut
haasteellista. Käyttökohteena kalvolla on ollut älypuhelimien kosketusnäytöt.
Tuotetta ja valmistusmenetelmiä on kuitenkin kehitetty niin pitkälle, että
ensimmäiset massatuotantoon tarkoitetut tuotantokoneet on saatu käyttöön vuonna
2014. Tuotteita on valmistettu joitakin satoja tuhansia kappaleita, ja
tuotantoa on tarkoitus laajentaa vuoden 2015 aikana.

Tutkimus ja haasteet

Hyvistä ominaisuuksistaan huolimatta
nanonupputeknologiassa on vielä paljon kehitettävää. Esimerkiksi nanonupuista
valmistettujen muovikalvojen johtavuus ei ole riittävän hyvä laajoille
pinta-aloille, kuten hyvin suurille näytöille.
Kehitys etenee kuitenkin suurin harppauksin. Vuodesta
2007 lähtien nanonupuista valmistettavan CNB-filmin (Carbon Nanobud) johtavuusominaisuuksia
on saatu kaksinkertaistettua aina 12 kuukauden välein. Tämä lisää filmin
käyttömahdollisuuksia tulevaisuudessa ja voi laajentaa sen käytön nopeastikin
suuren pinta-alan sovelluksiin.
Kalvoteknologiaan perustuvia prototyyppejä kehitetään
jatkuvasti, mutta niiden tuotteistamisesta ei ole vielä varmuutta.
Potentiaalisia käyttökohteita nanonupuilla on kuitenkin monia. Se voisi
soveltua ominaisuuksiensa puolesta esimerkiksi muistipiireihin,
näyttöteknologiaan ja printattavaan elektroniikkaan.