Uutta “ideaa” paperiin nanopinnoitteilla
Maidon älypakkaus tunnistaa, milloin maito vanhenee tai loppuu, ja internetiin kytketty älykäs jääkaappi tilaa uuden purkin lähikaupan verkkokaupasta. Siinä yksi esimerkki tulevista älysovelluksista, joissa tarvitaan nanotekniikalla päällystettyä toiminnallista luonnonkuitumateriaalia.
Metsäinen Suomi tunnetaan puistaan, ja pinnoitetut paperit olivat ennen myyntivalttimme. Sitä ne voivat olla jatkossakin, mutta uudella otteella. Paperia voidaan muokata painamalla ja päällystymällä siihen erilaisia toiminnallisia nanomateriaaleja ja -laitteita. Akatemiatutkija Jarkko J. Saarinen työstää aihetta Åbo Akademin (ÅA) paperinjalostuksen laboratoriossa tutkimushankkeessa Ympäristöä säästävät laajalle alueelle painetut fotoniset rakenteet joustavilla luonnonkuitupohjaisilla alustoilla.
Nanopinnoitetusta paperista on moneksi. Paperille voidaan valmistaa niin aurinkokennoja kuin Raman-sensoreita, joilla tunnistetaan aineita niistä sironneen valon spektrin perusteella. Uutena akatemiahankkeena tutkitaan myös nanorakenteisia antibakteriaalisia pintoja, joilla torjutaan bakteeri-infektioita esimerkiksi sairaalaympäristössä. “Paperipohjaisten älytuotteiden kysyntä tulee kasvamaan. Tarvitaan kuitenkin huomattava alennus valmistushinnassa, ja sitä tavoittelemme teollisen mittakaavan paino- ja päällystystekniikoilla.”
Saarisen hankkeessa luonnon kuitupohjaisille alustoille painetaan fotonisia laitteita sekä kehitetään uusia paperisovelluksia. Luonnonkuitupohjaisia alustoja ovat esimerkiksi paperi, kartonki ja nanoselluloosapohjainen filmi, fotonisia laitteita puolestaan näytöt, sensorit ja aurinkokennot.
Selluloosakuitu on pinnoitettu sen ominaisuuksia muuttavilla nanopartikkeleilla (kuvan pienet valkoiset partikkelit). Nanometri on noin sadastuhannesosa hiuksen paksuudesta. Herkästi muuttuvan pinnan kuvantaminen ja karakterisointi on vaativaa, ja sitä tehdään mm. elektroni- ja atomivoimamikroskoopeilla.
Puun ja nanotekniikan liitto
“Puussa on paljon hyvää: se on uusiutuva, kierrätettävä, biohajoava, teollisessa mittakaavassa hyödynnettävä, ja käsittelyyn on valmis infrastruktuuri Suomessa. Siitä saadaan öljypohjaisten materiaalien korvaajia, ja päällystetyt paperit ovat vaihtoehto muovikalvoille. Kaupallisen mittakaavan sovelluksia nano- ja mikromittakaavan selluloosapohjaisille tuotteille esiteltiin tänä vuonna.”
Laajamittaisen tuotannon pullonkaulana on usein hinta. Monet nanotekniset menetelmät sopivat vain muutamien neliösenttien käsittelyyn. Se nostaa tuotteiden hintaa. Paino- ja päällystystekniikoilla sitä vastoin käsitellään kustannustehokkaasti jopa neliömetrien kokoisia aloja.
“Paperin pinta saadaan vaikkapa täysin vettä hylkiväksi, kun se päällystetään nanopartikkeleilla, joiden määrä vastaa puolta kiloa jalkapallokentän kokoiselle alueelle. Teollisessa ja kustannustehokkaassa mittakaavassa se onnistuu esimerkiksi liekkiruiskumenetelmällä.”
Kustannustehokkuuden tarpeellisuus ilmenee esimerkiksi juuri Raman-sensorien kohdalla. “Sensorit ovat usein kertakäyttöisiä, sillä mitattava näyte helposti likaa aktiivisen mittausalueen. Edullinen paperipohjainen sensori voidaan käytön jälkeen hävittää helposti esimerkiksi polttamalla.”
“Väitöstyö on tutkimusmaailman ajokortti”
Lukiossa kovista luonnontieteistä kiinnostunut Saarinen matkusti isoveljen esimerkistä Joensuun yliopistoon. Tutkijan ura oli tähtäimessä ensimmäisistä opiskeluviikoista alkaen, vaikka linja vaihtuikin kemiasta fysiikkaan ennen gradua.
”Maisterintutkinto oli vain välitavoite sekä pääsyvaatimus tutkimusryhmään. Toisena vuonna pääsin optisen materiaalitutkimuksen ryhmään ja sain suoran jatkon gradusta väitöstutkimukseen.” Saarinen oli neliportaisen tutkijanuran ensimmäisellä portaalla eli tekemässä väitöskirjatyötä.
Vauhti oli kova. Vuonna 1998 yliopistoon kirjautuneesta Saarisesta tuli maisteri jo vuonna 2000, tohtori vuonna 2002, vain 23-vuotiaana.
Nykyinen suunta löytyi vuonna 2006, kun Saarinen palasi Toronton yliopistosta Suomeen. UPM Tutkimuskeskus palkkasi hänet nanotutkijaksi kehittämään nanotekniikan sovelluksia metsäteollisuuden tarpeisiin.
“Suunnanmuutos kuvastaa yhtä tutkijan työn parhaimmista puolista: väitös on vain ajokortti tutkimuksen maailmaan. Se osoittaa, että pystyy itsenäiseen tutkimustyöhön ja mahdollistaa suuretkin muutokset tutkimusaiheissa.”
Åbo Akademin paperinjalostuksen laboratorioon Saarinen siirtyi vanhemmaksi tutkijaksi vuonna 2008. Akatemiatutkijaksi, neliportaisen tutkijanuran kolmannelle portaalle, Saarinen pääsi kesäkuussa 2012. Tutkijan urapolun portaissa ylöspäin
“Tyypillisesti väitöksen jälkeiseen post doc -vaiheeseen löytyy rahoitus hyvin, mutta toisen post doc -kauden jälkeen vaikeasti. Akatemiatutkijan rahoitus on siihen loistava, samoin tenure track -polut eli yliopistojen tutkijan vakinaistamispolut.”
Viisivuotinen akatemiatutkijan rahoitus mahdollistaa keskittymisen tutkimustyöhön ja oman tutkimusryhmän kokoamisen. Tarkoituksena on pätevöityä tutkijan uran neljännelle portaalle eli professoriksi, akatemiaprofessoriksi tai tutkimusjohtajaksi.
“Hankkeessani yhdistän fotoniikan ja paperitekniikan osaamistani. Arkena töissä ohjaan opiskelijoita, haen rahoitusta tutkimuksen laajentamiseen ja jatkamiseen, analysoin tutkimustuloksia ja raportoin niitä alkuperäisjulkaisuissa tai kansainvälisissä konferensseissa. Muutama artikkeli on jatkuvasti pöydällä työn alla. Kansainvälisiin kokouksiin pyrin osallistumaan kaksi, kolme kertaa vuodessa verkostoitumaan, hakemaan ideoita ja saamaan tutkimuspalautetta.”
“Työpaikka voi vaihtua, suosikkilätkäjoukkue ei koskaan”, vakuuttaa tutkija ja penkkiurheilija Saarinen SaiPan keltamustissa väreissä. Vapaa-aika on tärkeää, sillä “usein oivallukset tulevat muussa yhteydessä kuin työpöydän ääressä”.
