Nanopinnoite tekee ihmeitä

Nanopartikkeleilla voi saada paperipinnoille ihmeitä aikaan. Pahviliuskasta voidaan tehdä pikatesti sairauksien diagnosointiin ja painomuste pystyy kertomaan, onko jauheliha pilaantunut.

– Vain puoli kiloa titaanioksidia riittää tekemään jalkapallokentän kokoisen kartonkipinnan vettähylkiväksi, Jarkko J. Saarinen kertoo väitöstilaisuutensa lektioluennossa.

Saarisen väitöstyö tutki erilaisia nanofotoniikan sovelluksia, joissa paperin ominaisuuksia muokataan nanopartikkelipinnoitteilla valon avulla.

Hyvin vettä imevän paperipinnan nanopinnoittaminen erittäin vettähylkiväksi kuulostaa jo saavutukselta. Mutta se on vasta alkua. Saarisen tutkimat nanopinnoitteet ovat myös fotoaktiivisia. 

Kun vedenpitäväksi pinnoitettua kartonkia valaistaan UV-valolla, saa se imukykynsä jälleen takaisin, selvittää Saarinen Åbo Akademin ruotsinkielisessä lektioluennossaan.

– Kontrolloitua kastumista voi hyödyntää erilaisissa diagnostiikkasovelluksissa. Paperiin voi tehdä kanavia, joita pitkin sylki- tai virtsanäyte kulkeutuu, hän kertoo.

Vetytalous tulee kiistatta etenemään.

Fyysikko meni metsäteollisuuteen

Jarkko J. Saarinen ei ole väittelijänä ensikertalainen. Edellisen kerran 42-vuotias apulaisprofessori puolusti väitöskirjaansa vuonna 2002 nykyisellä kotikampuksellaan Joensuussa. Yliopisto-opintojen alkamisesta oli tuolloin ehtinyt kulua vain 4,5 vuotta.

Gradusta tuli väitöskirjan ensimmäinen tieteellinen julkaisu ja puhtaan teoreettinen väitöskirja nanopartikkelien optisista ominaisuuksista valmistui vain kahdessa vuodessa. Saarinen väitteli 23-vuotiaana filosofian tohtoriksi fysiikasta ja on Joensuun yliopiston nuorimpana väitellyt tohtori.

Väitöstyön jälkeen Saarinen hakeutui nano-optiikan tutkijaksi Toronton yliopistoon. Fyysikon ura sai kuitenkin aivan uuden suunnan vuonna 2006.

Hän oli äskettäin tavannut vaimonsa, eikä 6 000 kilometrin etäisyys tuntunut hyvältä ajatukselta. Saarinen palasi Suomeen ja aloitti aivan uuden aiheen parissa UPM:n tutkimuskeskuksessa Lappeenrannassa.

– Tuolloin tiesin paperiteollisuudesta suunnilleen sen, että toisesta päästä tulee puu sisään, ja toisesta päästä valkoista paperia ulos.

Tutkimusrupeama metsäteollisuudessa opetti Saariselle valtavasti paperinjalostuksesta, mutta akateeminen maailma veti puoleensa.

Rikostutkijat tunnistavat menetelmällä pienen pieniä räjähdysainejäämiä epäiltyjen vaatteista.

Perhe suuntasikin Espoon sijasta vaimon kotiseudulle Turkuun vuonna 2008, kun UPM:n nanotutkimus oli muuttamassa Espooseen ja perheen esikoinen oli syntymässä.

Saarinen alkoi tehdä tutkimusta Åbo Akademin paperin päällystyksen laboratoriossa.

Tutkimusaiheena olivat toiminnalliset nanopinnoitteet, joilla voisi antaa paperille aivan uudenlaisia ominaisuuksia. Jos aikakauslehtien pinnoitteita kuluu tyypillisesti kymmenen grammaa paperineliötä kohden, nanopinnoitteiden menekki on ehkä vain tuhannesosa tästä.

– Se avaa mahdollisuuksia entistä korkeamman jalostusasteen tuotteille paljon nykyistä pienemmillä ainemäärillä.

Saarisen toinen väitöskirja oli ensimmäistä käytännönläheisempi – ja paljon mutkikkaampi prosessi.

– Tämä kirja syntyi 12 vuoden tutkimuksen sivussa.

Kemiallinen sormenjälki paperille

Kaksi väitöksen tutkimusartikkeleista käsitteli Raman-spektroskopiaa. Eri molekyyleillä on niille tunnusomainen Raman-spektri, eräänlainen kemiallinen sormenjälki. Esimerkiksi rikostutkijat tunnistavat menetelmällä pienen pieniä räjähdysainejäämiä epäiltyjen vaatteista.

Äärimmäisen heikkoa Raman-sirontaa saadaan vahvistettua metallisten nanopartikkelien avulla. Tätä SERS-ilmiötä (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) käytetään hyväksi esimerkiksi raskasmetallien, huumeiden tai lääkeaineiden tunnistamisessa.

Yleensä näytteet valmistellaan hopea- tai kultapartikkeleilla pinnoitetulle lasialustalle, mutta Saarinen kehitti menetelmän, jolla alustaksi kelpaa myös halpa paperi.

Saarisen väitöskirjan innovaatiot, paperipinnan kastumisen kontrollointi ja SERS-analyysit paperipinnoilla, tarvitsivat myös sopivan valmistusmenetelmän paperin nanopartikkelipinnoitukseen.

Apu löytyi Tampereen aerosolifysiikan tutkijoilta. Heidän 1990-luvulla kehittämänsä nesteliekkiruiskutusmenetelmä sopi hyvin paperin pinnoittamiseen juuri halutun kokoisilla titaanioksidi- tai hopeapartikkeleilla.

Pakkaus kertoo pilaantumisesta

Väitöskirjan kolmas nanofotoniikan sovellus on maallikollekin helposti ymmärrettävä happisensori. Se hyödyntää nanopartikkeleita, joita voidaan painaa elintarvikepakkaukseen perinteisin painomenetelmin. Kun suojakaasuun pakattu elintarvike on valmis kaupan hyllylle, painomusteen sininen väri muutetaan näkymättömäksi UV-valon avulla.

– Jos pakkaukseen pääsee happea, alkuperäinen metyleeninsininen väri palautuu, Saarinen kertoo.

Saisiko epärehellinen kauppias pilaantuneen elintarvikkeen vielä uudelleen myyntikuntoon UV-valon avulla?

Siihenkin on Saarisen väitöskirjassa keinonsa. Toisella painomenetelmällä väärennöksen yrittäjä paljastuu armotta.

Kun metsää kaadetaan, siitä pitää ottaa kaikki irti.

Saarisen luonnonkuiduista valmistetut fotoaktiiviset nanomateriaalit ovat perustutkimusta, joiden käytännön sovellukset ovat vielä tulevaisuutta. Esimerkiksi nanopartikkelien kiinnittäminen pysyvästi paperin pinnalle vaatii vielä kehitystyötä. Potentiaalia halvoilla ja ekologisilla älymateriaaleilla kyllä on.

Saarinen harmittelee, että metsäteollisuus leimataan niin usein auringonlaskun alaksi.

– Alalla tehdään paljon tulevaisuuden eteen.

Yhä noin viidenneksen Suomen viennistä muodostava ala kaipaa kuitenkin uusia tuotteita sellun ja paperin rinnalle.

– Kun metsää kaadetaan, siitä pitää ottaa kaikki irti. Puussa on paljon hyviä komponentteja, jotka kannattaa ensin käyttää paremman jalostusasteen tuotteisiin. Vasta tähteistä tehdään sitten esimerkiksi polttoaineita.

Tekno-optimistin seuraava haaste: vedestä vetyä auringonvalolla

Ellemme varmuudella tiedä, kuinka tulee käymään, olettakaamme että kaikki käy hyvin. Näillä presidentti Mauno Koiviston sanoilla kertoi Jarkko J. Saarinen väitöstilaisuudessaan lohduttavansa ilmastonmuutoksesta huolestuneita 10- ja 12-vuotiaita lapsiaan.

Tekno-optimismille on perusteita. Esimerkiksi kelpaa vaikka koronapandemia.

– Ei lasten etäkoulun tai oman opetukseni järjestäminen kotoa olisi onnistunut 20 vuotta sitten, hän pohtii.

Myös toimivan koronarokotteen kehittäminen alle vuodessa on hieno esimerkki teknologian voimasta.

– Uskon ja toivon, että sama käy kaikkien suurten haasteiden, kuten ilmastonmuutoksen, kanssa.

Saarisen uusia fotokatalyyttisia materiaaleja kehittävä tutkimusryhmä tekee sekin töitä ilmastonmuutoksen ratkaisemiseksi.

– Vetytalous tulee kiistatta etenemään, arvioi Saarinen.

Vetyä voidaan tuottaa päästöttä elektrolyysin avulla, hajottamalla vettä sähkövirran avulla.

– Mutta voimme valmistaa vetyä myös suoraan auringonvalon avulla. Sopiva fotokatalyyttinen materiaali pystyy hajottamaan vettä vedyksi ja hapeksi, kertoo Saarinen.

• Lue lisää: Sähkömoottorien seuraava sukupolvi