Materiaalit ja materiaaliteknologian edistysaskeleet ovat kautta aikain vaikuttaneet ihmiskunnan kehitykseen. Saatamme juuri nyt olla seuraavan materiaaliteknisen murroksen kynnyksellä, ja tuloksena voi olla tuotteita ja toiminnallisuuksia, joita emme aiemmin uskoneet edes mahdollisiksi.
Teollisuus vaatii yhä kevyempiä, lujempia, ohuempia, tiheämpiä ja joustavampia tai jäykempiä materiaaleja, sekä parempaa lämmön ja kulumisen kestävyyttä. Tutkijat puolestaan rikkovat mielikuvituksemme rajoja hakiessaan parannuksia nykymateriaaleihin ja keksiessään täysin uusia materiaaleja, joiden laajamittainen käyttö voi olla olla vuosien päässä mutta jotka avaavat teknologian kehitykselle aivan uusia näköaloja.
Taivas on rajana
Käynnissä olevan tutkimustyön perusteella soveltava materiaalitiede näyttää kehittyvän kohti tieteiselokuvia muistuttavia suuntauksia. Uhkaava luonnonvarojen ehtyminen edellyttää innovaatioita ja epäsovinnaista ajattelua. Materiaalirintamalla komposiitit yleistynevät suotuisten ominaisuuksiensa, kuten keveyden, lujuuden ja kestävyyden, ansiosta. Lisäksi uusiutuvien luonnonvarojen käyttö niiden valmistuksessa tulee todennäköisesti yleistymään. Uusista materiaaleista lupaavimmalta näyttää grafeeni.
Grafeeni muodostuu vain yhdestä atomikerroksesta (miljoona kertaa ihmishiusta ohuempi), mutta se on 200 kertaa lujempaa kuin teräs, erittäin joustavaa, äärimmäisen kevyttä, lähes läpinäkyvää ja johtaa erinomaisesti lämpöä ja sähköä. Siis teollisuuden päiväunien kohde.
Itse asiassa Tianjinissa Kiinassa sijaitsevan Nankain yliopiston tutkijat huomasivat hiljattain, että ”grafeenisieni” pystyy muuntamaan valon liikkeeksi. Havainto voi viedä ihmisen askeleen lähemmäksi polttoaineetonta, vain auringon valon voimalla liikkuvaa avaruusalusta.
Kohti grafeenivallankumousta
Grafeenin löysivät puolivahingossa Manchesterin yliopiston professorit Andre Geim ja Kostja Novoselov, kun he leikittelivät teipillä ja lyijykynillä vuonna 2004. Geim ja Novoselov voittivat grafeenitutkimuksestaan vuonna 2010 fysiikan Nobel-palkinnon. Sittemmin Euroopan unioni päätti rahoittaa miljardilla eurolla Graphene Flagship -tutkimushanketta, jonka tavoitteena on vauhdittaa grafeenin kaupallisten sovellusten kehitystä. Mahdollisia käyttökohteita ovat esimerkiksi veden puhdistaminen, energian varastointi, kotitalouslaitteet, tietokoneet ja muu elektroniikka. Vaikka grafeeniin liittyvien patenttien määrä kasvaa räjähdysmäisesti, materiaalin laajamittaista käyttöä teollisuudessa rajoittaa tuotannon kalleus – mutta tähän saattaa tulla muutos. Glasgow’n yliopiston tutkijat ovat löytäneet tavan tuottaa isoja grafeenikalvoja sadasosalla aiempien tuotantomenetelmien kustannuksista.
Mahdollisiin kehitystyön tuloksiin lukeutuu synteettinen iho, jonka avulla raajaproteeseihin voidaan saada tuntoaisti. ”Grafeenista voitaisiin mahdollisesti valmistaa erittäin joustava, sähköä johtava pinta, jonka avulla raajaproteeseja käyttävät ihmiset tuntisivat kosketuksen tavalla, joka edistyksellisimmilläkin nykyproteeseilla on mahdotonta”, toteaa Glasgow’n yliopiston tutkimustiimiä johtanut tohtori Ravinder Dahiya.
Metallien loppu?
Metallit ovat teollisuuden peruskivi, ja ne ovat määritelleet ihmishistorian aikakausia. Pitkä kokemus metallien käytöstä on kerryttänyt valtavasti tietoa, mutta tiedemiehet ja tutkijat jatkavat yhä työtä venyttääkseen niiden raja-aitoja. Metallien ominaisuuksien parantamiseen ja uusien käyttökohteiden löytämiseen keskittyvän tutkimustyön keskiössä ovat nanomateriaalit. Metallimatriisinanokomposiitit – komposiitit, jotka muodostuvat osittain hiilinanoputkista tai nanohiukkasista – voivat toimia tiennäyttäjänä uudelle painon vähennyksen aikakaudelle ilmailuteollisuudessa lujuudesta ja jäykkyydestä tinkimättä.
Itsestään korjautuvat vauriot
Nanokomposiittitutkimuksen tuloksena on syntymässä materiaaleja, jotka korjaavat ihmiskehon tapaan itse itsensä. Yhdysvaltalaisen Illinoisin yliopiston Beckman Instituten Autonomous Materials Systems Group tutkii kuitukomposiittimateriaaleja, joilla on itsekorjautuvia ominaisuuksia. Materiaaleissa käytetyt korjaavat aineet vapautuvat ja polymerisoituvat vauriokohdassa.
”Itsekorjautuvat materiaalit tekevät tuloaan”, vahvistaa materiaalitutkija Mark Miodownik. Tekniikan tarjoamat mahdollisuudet eivät toistaiseksi ole läheskään taloudellisesti kannattavia, mutta esimerkiksi itsestään korjautuvat lentokoneen siivet, polkupyörän rungot ja turvallisuuden kannalta tärkeät auton osat ovat jo näköpiirissä. Tulevat vaikutukset tuotekehitykseen, tuotteiden elinkaareen ja kestävään kehitykseen ovat valtavat. Tutkimustyötä tehdään myös itsekorjautuvien tiepinnoitteiden parissa. Läpimurto tietäisi kunnossapitotiimien työkuormaan tuntuvaa helpotusta.
Luonto jää toiseksi
Tuhansien vuosien ajan materiaalitieteen edistysaskeleiden taustalla ovat olleet satunnaiset havainnot luonnossa esiintyvistä materiaaleista. Tutkimuksen näkökulma on laajentunut tätä nykyä luonnon tarjontaa laajemmalle. Nyt yhdistellään perinteisiä materiaaleja tai niiden rakenneosia ja keskitytään mikrorakenteeseen. Tavoitteena on luoda ominaisuuksia, joita ei esiinny – tai ei ole vielä löydetty – luonnossa.
Yksi kehitystyön tuloksista on hain ihoa muistuttava Sharklet-materiaali. Sen mikroskooppinen pintakuvio torjuu bakteerien kasvua, ja yksi mahdollisista sovelluksista löytyykin terveydenhuoltoalalta.
Toinen kehitystyön kohde liittyy näkymättömyyteen. Useissa maissa kehitellään metamateriaaleja, jotka voisivat muuttaa esineen näkymättömäksi taivuttamalla sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, esineen ympäri.
Kaiken takana kestävä kehitys
Materiaalitiede sekä uusien ja nykyisten materiaalien kehittäminen ovat ratkaisevassa asemassa mitä tulee luonnonvarojen ehtymiseen ja kestävään kehitykseen. Uudet materiaalit, kuten valoa absorboivat rakennusmateriaalit, voivat auttaa torjumaan ilmaston lämpenemistä.
Olemme uuden aikakauden kynnyksellä. Siihen kuuluvat lisääntyvä digitalisaatio ja teollinen internet (Internet of Things, IoT), mutta myös uudet materiaalit, jotka voivat tehdä elämästämme helpompaa, turvallisempaa ja ympäristön kannalta kestävämpää. Vain taivas on oikeasti rajana.
