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. 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.