Transcript Nanomateriaalit

BK50A2300
Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta
Luennot / syksy 2013
TkT Harri Eskelinen
LUENTO 9
NANOMATERIAALIT
2013
Kolme näkökulmaa…

Materiaalien
atomi- ja
molekyylitason
tarkastelu

Nanopartikkeleihin,
-jauheisiin ja kuituihin
perustuvat
konstruktiomateriaalit ja
niiden
käyttökohteet

Nanomekaaniset
järjestelmät ja
koneet
Jäsentely
1
 2
 3
 4
 5
 6
 7

Johdanto
Fullereenit ja nanoputket
Nanokonstruktiomateriaalit
Mekaaniset ominaisuudet
Sovelluskohteita
Valmistusmenetelmät
Tutkimuksen nykytila
1 JOHDANTO

Nanomateriaalien luokittelu:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fullereenit
Hiilinanoputket
Nanokuidut/ Nanolangat
Dendrimeerit/Nanopolymeerit
Nanokapselit
Nanokiteiset materiaalit
Nanopartikkelit/nanojauheet
Nanokalvot
Nanohuokoiset materiaalit
Nanokomposiitit
Mitat
3 nanodimensiota < 100nm
Partikkelit, ontot pallot
2 nanodimensiota < 100nm
Putket, kuidut,langat
1 nanodimensio
Ohutkalvot, pinnoitteet,
kerrokset
< 100nm
Faasit
Yksi kiinteä
Kiderakenteiset, amorfiset
Monta kiinteää
Matriisikomposiitit
Monta faasia
Solurakenteiset,
nestemäiset
Valmistustapa
Kaasufaasireaktio
CVD-pinnoitus, plasma
Nestefaasireaktio
Sol-gel tekniikka
Mekaaninen
Jauhaminen, plastinen
muokkaus
Materiaali
Hiiliperustaiset
Fullereenit, hiilinanoputket
Metallipohjaiset
Kulta, hopea, metallioksidit
Polymeeripohjaiset
PEA, PP, PA
Komposiitit
1 nanodimensio
Esim.
kalvot tai
kerrokset
2 nanodimensiota
Esim. langat,
kuidut,
nanoputket
3 nanodimensiota
Esim.
nanopartikkelit,
jauheet,
fullereenit

Lähtökohtana on hiilen eri olomuotojen
periaatteellinen tunteminen:


Timantti
• Jokainen hiiliatomi on kiinni neljässä muussa
hiiliatomissa. Näin syntyy 3D-verkko.
Grafiitti
•
Hiilen eri olomuotoja:
Timantti, grafiitti
(pääkkäisiä
grefeeneja), fullereeni,
amorfininen hiili,
hiilinanoputki

Hiiliatomit ovat sidoksissa toisiinsa vain tasossa. (Grafeeni on
hiiliatomien muodostamatasomainen lakana.)
Fullereeni
•
Hiilen muoto, joka koostuu pallon muotoon asettuneista 60 hiiliatomista.
Konstruktiomateriaalien näkökulma
Nanopartikkelit
Nanokalvot
Nanolangat
ja -tangot
Nanokomposiitit
Komponentin mekaaniset ja
radiotekniset ominaisuudet
Tuotteen
suorituskyky
Komposiitin ja kerrosrakenteen
suuntaaminen häiveteknologiassa
Mikrotason tarkastelu
Komposiittien tutkimus
Materiaalien vuorovaikutus
nanomittakaavassa.
Esim. nanopolymeerien
muodostuminen
Atomi ja
molekyyli
-taso
Suunnittelu,
analysointi ja
optimointi
nano-, mikro- ja
makrotasoilla
2 FULLEREENIT JA NANOPUTKET



Fullereeni voi koteloida sisäänsä atomin, esim. typpiatomin.
Myös molekyylien välillä on tyhjä tila, johon atomit voivat asettua.
Hallittu rakentuminen on yksi peruslähtökohta nanoteknologiassa.


Esimerkki cesiumfullereenirakenteesta
Cs3C60. Vierekkäisten
fullereenimolekyylien
etäisyys toisistaan on n. 1
nanometri. Kiderakenne
reagoi paineen ja
lämpötilanmuutokseen.
Haluttujen atomien
liittäminen rakenteeseen
on toinen peruslähtökohta
nanoteknologiassa.

Erilaisten nanoputkien rakenteen ja ominaisuuksien
tunteminen luo perustan nanoputkien soveltamiselle eri
tekniikan aloilla.
• Esimerkiksi hiilinanoputkien mahdollisuutta suodattaa tritiumia
(”punaiset atomit sinisessä nanoputkessa”) tutkitaan.
• Tämä ominaisuus olisi tarpeen suodatettaessa radioaktiivisia
aineita (kuten esim. ydinpoltto-ainesauvojen jäähdytysvettä).
Nanoputkimateriaalit







Hiilinanoputket
Boori- ja boorinitridi (BN) -nanoputket
Molybdeeni-rikki-jodi (MoSI) -nanoputket
Piinanoputket
Magnaanidioksidi (MnO2) -nanoputket
Titaaninanputket
Polyaniliini (PAni) -nanoputket
Hiilinanoputket

Hiilinanoputkien luokittelu:
• Halkaisija
• Kierteisyys
• Nippuuntuminen


Hiilinanoputken voidaan
ajatella olevan kuin
“putkeksi rullattua
grafiittilevyä”.
Grafiitin kuusikulmiorakenteen suuntautumisen
mukaan hiilinanonputkien
kierteisyyttä kuvataan
kolmella englanninkielisellä
termillä:
• ”Zig-zag”,
• ”Armchair” ja
• ”Chiral”.


Kierteisyys vaikuttaa
hiilinanoputken kaikkiin,
myös mekaanisiin
ominaisuuksiin.
Valmistusprosessin
vaikeutena on tuottaa vain
yhtä kierteisyysmuotoa tai
erotella eri muodot
toisistaan.

Muita säädeltäviä hiilinanoputkien ominaisuuksia ovat:
• Kerroksittainen seinämien lukumäärä (SWNT, DWNT, TWNT, MWNT)

Single-Walled Nanotube = SWNT
• Haaroittuneisuus
1-seinämäinen
hiilinanoputki
2-seinämäinen
hiilinanoputki
3- seinämäinen
hiilinanoputki
Moniseinämäinen
hiilinanoputki
Nanoputken tyyppi

Ominaisuus ↓
Halkaisija
Pituus
Single-Wall
Carbon
Nanotubes
(SWNT)
Double-Wall
Carbon
Nanotubes
(DWNT)
Multi-Wall
Carbon
Nanotubes
(MWNT)
~ 1.3 nm
0.5 ~ 40 um
~ 4 nm
0.5 ~ 40 um
10-100 nm
0.5 ~ 40 um

Nanoputki voi
myös syntyä
yksisuuntaisena
”nauhan”
nousullisena
kierteenä joko
myötä tai
vastapäivään

Hiilinanoputken
mekaanisia, sähköisiä ja
termisiä ominaisuuksia
voidaan säätää tekemällä
siihen säännönmukaisia
putken muodonpoikkeamia
tuottamalla hiiliatomien
etäisyyksien kutistumia
“Kutistava” poikkeama
voidaan tuottaa
• Putken kehälle säännöllisin
välein
• Pituussuunnassa joka
toiseen kuusikulmioriviin
• Putken kehälle
säännöllisesti sekä pituusettä säteensuunnassa
vuorotellen
Yhdistämällä sopiva hiilinaniputkirakenne ja polymeeri voidaan
varioida materiaalin kimmo- ja sitkeysominaisuuksia.
Boorinanoputket





Boorista tehdyillä nanoputkilla
näyttäisi olevan hyvin
samantyyppiset
perusominaisuudet kuin hiilen
nanoputkilla.
Boorin nanoputket koostuvat
kuusikulmaisesta verkosta,
jossa osassa kuusikulmioita on
kuitenkin ylimääräinen atomi.
Rakenne on siis
monimutkaisempi kuin hiilen
nanoputkissa.
Boorin kemiallisen rakenteen
takia pelkistä kuusikulmioista
muodostuva putki olisi
epävakaa ja siksi ylimääräinen
atomi on lisätty.
Metalliset boorin nanoputket
voivat olla parempia johteita
kuin hiilen nanoputket. Ne
voivat olla myös suprajohteita
korkeissa lämpötiloissa.
Boorinitridi (BN) -nanoputket





Boorinitridi-nanoputkien- ja verkkojen rakenteet
vastaavat hiilinanoputkien rakennetta, sillä
erotuksella, että boori-nitridi-verkko koostuu boori- ja
nitridiatomeista.
BN -nanoputkissa on hiili-hiili-sidoksen sijaan
ionisempi boori-nitridi-sidos. Tämän vuoksi BNnanoputkien avulla voidaan tuottaa vain puolijohtavia
nanoputkia.
BN -nanoputkien mekaaniset ominaisuudet ovat hyvin
samankaltaiset kuin hiilinanoputkilla, eli ne ovat
erittäin kestäviä ja kevyitä.
BN -nanoputket kestävät hyvin myös hapettumista,
jonka vuoksi ne soveltuvat hyvin kemialliseen
suojaukseen.
BN -nanoputkien tuotanto on vaikeaa. Samat CVDtekniikat (chemical vapor deposition), joita käytetään
hiilinanoputkien tuotannossa, eivät sovellu BNnanoputkien tuotantoon. Paras synteettinen tapa
tehdä BN -nanoputkia on keino, jossa magnesium
toimii katalyyttina tuottaen BN -nanoputkia.
Molybdeeni-rikki-jodi-nanoputket




Nanoputket, jotka muodostuvat molybdeeni-, rikkija jodiatomeista (MoSI-nanoputket), saattavat olla
helpompia soveltaa käytäntöön kuin hiilinanoputket.
Hiilinanoputkien käytännön sovelluksien
aikaansaaminen on vaikeaa, koska juuri
halutunlaisia nanoputkia on vaikea tuottaa, ja
valmiita nanoputkia on vaikea liittää esimerkiksi
elektronisiin järjestelmiin.
MoSI-nanoputket ovat metallisia eli ne johtavat
sähköä, ja ne esiintyvät tavallisesti kimppuina.
Toisin kuin hiilinanoputket, ne liukenevat moniin
tavallisiin liuottimiin ja irtoavat silloin kimpuistaan.
MoSI-nanoputkia on suhteellisen helppo tuottaa ja
lajitella. Sovelluksista lupaavimmilta vaikuttavat
paristojen eletrodit ja voiteluainesovellukset.
Piinanoputket

Korvaamalla perinteiset grafiittielektrodit litiumioni-akuissa piinanoputkista valmistetuilla
elektrodeilla, akun kapasiteettia voidaan parantaa
(sovellus esimerkiksi sähköautoissa)
Mangaanidioksidi (MnO2) -nanoputket


Edullisia litium-ioni-akkujen elektrodeja voidaan valmistaa
myös käyttämällä mangaanidioksidi (MnO2) –nanoputkia.
MnO2-nanoputket nestataan ensin alustalle ja
hiilinanoputket kasvatetaan MnO2-putkien sisään
(Hiilinanoputket ”pinnoitetaan” MnO2:lla).
Titaaninanoputket



Hiilinanoputkiin verrattuna
titaaninanoputkista
(titaanioksidista) voidaan
valmistaa moninkertaisesti
herkempiä antureita
tunnistamaan vety.
Erona toiminnassa on se, että
anturin herkkyyteen ei vaikuta
ainoastaan nanoputken sisä- (ja
ulko-) pinta-ala, vaan vetyioni
läpäisee myös titaaninanoputken
seinämän. Tämä ilmiö saa aikaan
moninkertaisen konduktanssin
muutoksen nanoputkielektrodissa
(verrattuna aikaisempiin vain
pinta-alaan perustuviin
antureihin).
Titaaninanoputkista tehtyä
anturia voidaan käyttää
uudelleen.
Polyaniliini (PAni) -nanoputket



Polyaniliinista (PAni)
valmistetaan synteettisiä
polymeerinanoputkia.
Reaktiivisena alustana
käytetään MnO2nanolankoja, jotka
käynnistävät
polymeraatioreaktion.
Nanoputkista tulee näin
poikkileikkaukseltaan
säännöllisen nelikulmion
muotoisia.
Polyaniliininanoputkien
sähköjohtavuutta voidaan
säädellä polymeeraatioreaktion avulla.
Muista materiaaleista tehdyt nanolangat – ja tangot





Kullasta voidaan valmistaa nanolankoja, joiden halkaisija
on 30 nm ja pituus 4.5… 6 µm. Nanolangat mahdollistavat
molekyylitason sähköisten liitosten tekemisen.
Sovelluskohteita ovat nanoelektronikka, nanoantennit,
aurinkokennot.
Ilman puhdistuksessa, katalysaattoreissa ja vedyn
tuottamisessa/varastoinnissa voidaan käyttää platinalla
(Pt)ja palladiumilla (Pd) päällystettyjä kultananotankoja,
joiden mitat ovat 25 x 75 nm.
Nanolankoja on tehty myös hopeasta.
Muita tutkittuja nanoputki – ja lankamateriaaleja ovat
esimerkiksi MoS2, WS2, TiS2, TiO2, V2O5, Fe2O3, Co3O4, NiO,
and SnO2.
3 NANOKONSTRUKTIOMATERIAALIT

Päähuomio kiinnittyy erilaisiin
nanokomposiitteihin. Pääryhmiä on
kolme:
• Nanopartikkelisovellukset
• Nanokuitusovellukset
• Nanokerros (tai pinnoite) -sovellukset
Nanokomposiitit

Nanoteknologiaan perustuvalla seostuksella
avulla voidaan parantaa
•
•
•
•

polymeeri-,
keraami-,
metalli- ja
tekstiilimatriisien
ominaisuuksia perinteisissä
komposiittirakenteissa.
Nanoteknologian avulla voidaan muodostaa
myös nano-nanokomposiitteja (esimerkiksi
metalleja hiilinanoputken sisällä).
Polymeerinanokomposiitit


POLYMEERI NANOKOMPOSIITTI=
POLYMEERI MATRIISI + NANOLUJITE (”TÄYTE”)
NANOPARTIKKELIT
NANOKERROKSET
NANOLANGAT/PUTKET

Polymeerinanokomposiittien käytön
tavoitteita:
1 Korkea suorituskyky
2 Keveys
Asuminen
Teollisuuslähtöisyys,lyhyt
aikajänne
Teollisuuslähtöisyys, pitkä aikajänne
Ilmailu
1 Energian säästö
2 Ympäristön suojelu
Autoteollisuus
Polymeerimatriisi/epäorgaaninen nanopartikkeli


Nanopartikkelien halkaisija on yleensä alle
100nm.
Yleisimpiä nanopartikkelien raaka-aineita ovat:
• Metallit (Al, Fe, Au, Ag)
• Metallioksidit (ZnO, Al2O3,CaCO3, TiO2)
• Ei-metalliset oksidit (SiO2)
• Muut (SiC)
Polymeerinanokomposiittirakenteita














1. KERROSRAKENTEISET POLYMEERINANOKOMPOSIITIT
Polyamidi (PA) -nanokomposiitit
Epoksi-Pii-nanokomposiitit
Polypropyleeni(PP) –Pii- nanokomposiitit
Polystyreeni (PS) -nanokomposiitit
Polyethyleeniakrylaatti (PEA) -nanokomposiitit
Polybutyleeniterephtalaatti (PBT) -perustaiset nanokomposiitit
2. NANOPUTKI- JA NANOPARTIKKELIPOLYMEERIKOMPOSIITIT
SWNT-nanoputkia epoksikomposiiteissa
Muut fullereeni/hiilinanoputki polymeerikomposiitit
Polymeeri/kalsiumkarbonaattI (CaCO3) -nanokomposiitit
Fenolihartsi/SiO2 -hybridinanokomposiitit
Polymeeri/grafiitti nanokomposiitit
Polymeerinanokomposiitit, joissa on funktionaaliisia
partikkeleita
Esimerkki kaupallisesta tuoteluettelosta…
Nano-nanokomposiitit

Nano-nanokomposiittien eri lajeja:
•
•
•
•
•
1)
2)
3)
4)
5)
Ontelonanopartikkelit (esim. kultakuori)
Hiili-nanokeraaminen pinnoitus
Hiili- polymeeri nano-nanoputkikomposiitit
Metalli-keraami nano-nanokomposiitit
(DNA-linked nanoparticles)
4 MEKAANISET OMINAISUUDET

Kuten tuotteen suunnittelu, tehdään
mekaanisten ominaisuuksien tarkastelu
(atomi-), nano-, mikro- ja makrotasoilla
Hiilinanoputkien (ja -kuitujen) lujuus
E
Murtolujuus
~1000 GPa (SWNT)
~1200 GPa (MWNT)
~ 100 GPa
Lämmönjohtavuus
Tiheys
2000 W/m/K
Pituus
…m saakka
1300 –1400 kg/cm3
Nanoputkien keskinäinen kiinnitys


Nanoputkien lujuuden hyödyntämisessä suurin ongelma on sinänsä
suurilujuuksisten yksittäisten nanoputkien heikko keskinäinen
kiinnipysyvyys tai kiinnipysyvyys esim. polymeerimatriisissa
Mahdollinen ratkaisu on tuottaa aikaisemmin esitetyillä tavoilla
putkien seinämiin paksuuspoikkeamia tai kovalenttisia sidoksia
putkien ja/tai ympäröivän matriisin välille.
!
Armchair- kierteisyys
Zig-Zag- kierteisyys
Kimmo-ominaisuudet [TPa]
Nanoputkien halkaisijan ja kierteisyyden merkitys
Kimmomoduuli
Liukumoduuli
Nanoputken halkaisija [nm]
Nanokuitulisäyksen vaikutus venymä-lujuuskäyrään
Jännitys [MPa]
0.3 paino-%:a lisätty
nanokuituja
Puhdas epoksi
Venymä

Hiilinanoputkiseostuksen (paino-%) vaikutus
polymeerikomposiitin kimmomoduuliin riippuu voimakkaasti
käytettävästä polymeerimatriisista:
Nanoputkilujitetun komposiitin vauriomekanismit

Sekä lyhyt että
pitkäkuituisilla
kuitukomposiiteilla
tunnistetaan neljä eri
vauriomekanismia:
• Kuidun katkeaminen
• Kuidun irtoaminen
• Kuidun
kiinnityspinnan
vääristymä
• Matriisin murtuminen

Samat
vauriomekanismit on
todettu myös
nanoputkilujitetuilla
polymeerikomposiiteilla. Kuitu
vastaa nanoputkea.
Kuidun
katkeaminen
Kuidun
irtoaminen
Kuidun
kiinnityspinnan
vääristymä
Matriisin
murtuminen

Hiilinanoputkilujitetun komposiitin vaurioituminen.


Heikoin kohta
perinteisessä
kuitulujitetussa
komposiitissa on
“tyhjä” kohta
matriisissa
kuitujen välissä.
Näiden kriittisten
“tilavuuksien”
lujuutta ja
sitkeyttä voidaan
parantaa
seostamalla
matriisiin
hiilinanoputkia.
Matriisiin lujittamattomat kohdat kuitujen välissä
Hiilikuidun
poikkileikkaus
Hiilinanoputkilla lujitetut kohdat kuitujen välissä
Hiilikuidun
poikkileikkaus
Lujuusvertailua
[GPa], logaritminen asteikko
Vetomurtolujuus
Hiilinanoputket
Hiilikuidut
Kevlar- Ruostumaton
kuidut
teräs

Käyttökelpoisempi
vertailutulos
saadaan sitomalla
lujuusvertailu
käyttökohteeseen
ja yhdistämällä
esim. materiaalin
lujuus/jäykkyys tai
lujuus/tiheys
(osan paino).
Murtolujuus/Tiheys
Suhteellinen lujuus
HiiliHiili- Alumiininanoputki kuitu
seos
Teräs
Polymeerinanokomposiittien
ominaisuuksien muuttuminen

Paranee:
• Lujuus
• Sitkeys
• Jäykkyys (riippuu
geometriasta)
• Mittatarkkuus
• Kuumuuden kesto
• Kemiallinen kesto
• Muut räätälöidyt
ominaisuudet (esim.
sähkönjohtavuus)

Huononee
• Viskoosisuus (valmistus
kärsii)
• Ominaisuusvaihtelut eri
kohdissa kappaletta
 Partikkelien jakauma
 Nanoputkien
suuntaus
 Kerrostumat
• Värimuutokset (monesti
musta)
Huom! Kummatkin riippuvat vahvasti käytetystä polymeerimatriisista ja nanolujitteista
Vaikutukset konstruktiokeraamien ominaisuuksiin
Nanopartikkelien käyttö parantaa
keraamisten materiaalien sitkeyttä
 Nanopartikkelien käyttö parantaa
keraamisten materiaalien kovuutta ja
kulumiskestävyyttä

5 SOVELLUSKOHTEITA
Nanokoneet
Nanooptiikka
Nanobioteknologia
Lääketeollisuus
Puolustusvälineteollisuus
Elintarviketeollisuus
INNOVATIIVISET
NANOTEKNOLOGIAN
SOVELLUKSET
Energiatekniikka
Kosmetiikka
Nanorakenteet
Nanoteknologia
Nanoelektroniikkan sovelluksia

Yleisiä etuja:
•
•
•
•
Komponenttien ja laitteiden koko ja paino alenee
Tehonkulutus laskee
Muistipiirien tallennustiheys kasvaa
Anturiteknologian kehitysmahdollisuudet lisääntyvät
(pienet määrät höyryä/ kosteutta voidaan analysoida)
• Tekee mahdolliseksi MEMS:ien rakentamisen (MicroElectromechanical Systems)

Muita näkökohtia:
• Nanoputki on merkittävästi tehokkaampi johde kuin
kupari.
• Nanoputken etuna kupariin verrattuna on lisäksi se, että
nanoputki on taipuisa, kun kuparijohde on jäykkä.
• Nanoputki kestää jopa 1500 asteen lämmön ja on
erinomainen lämmönjohde.
Energiatekniikan sovelluksia

Sovelluskohteita:
• Tehokkaammat ja pienikokoisemmat
aurinkokennot
• Tehokkaammat litium-ioni-akut
• Polttokennojen kehitys
• Polttoaineiden valmistusprosessin tehokkuuden
lisäys (kun lähdetään myös hyvin epäpuhtaista
raaka-aineista)
• Ajoneuvojen polttoainetalouden ja
moottoreiden kulumiskestävyyden
parantaminen (dieselin ja bensiinin
lisäaineistus)







Polttokenno ei vapauta
varastoitua sähköä, vaan
tuottaa sitä polttoaineen
hapetuksella.
Elektrolyyttinä toimiva
polymeerikalvo hajottaa
polttoaineen elektroneiksi ja
protoneiksi hapettajan läsnä
ollessa.
Sähköä eristävänä
polymeerikalvo ohjaa tämän
jälkeen protonit katodille ja
elektronit anodille.
Takaisinkatalysaatiossa osa
elektroneista yhtyy
protoneihin ja hapettajaan ja
tuottaa sivutuotteena vettä ja
hiilidioksidia tai -monoksidia.
Elektrodeina käytetään
metallia: nikkeliä tai
platinoituja nanoputkia.
Polttoaineena käytetään
yleisimmin metanolia tai
vetyä, ja hapettajana ilmaa tai
puhdasta happea.
Kennon hyötysuhde vaihtelee
ratkaisusta riippuen 20–80
prosenttiin.
Avaruusteknologian sovelluksia





Painon säästö avaruusaluksissa,
mittalaitteissa ja muussa astronauttien
varustuksessa
Polttoaineen säästö
Energian tuotto aurinkokennoilla
Avaruustutkimuksessa tarvittavien
sensoreiden kehitys
Astronauttien vaatetuksen kehitys
Lääketieteen sovelluksia

Eräitä sovelluksia ja mahdollisuuksia:
• Haavojen paranemista edistävät hopeaoksidivalmisteet ja –tuotteet
• Nanopartikkelit, jotka kuljettavat syövän hoidossa tarvittavat
solusalpaajat suoraan kasvaimeen minimoiden terveiden solujen vauriot
hoidon aikana
• Nanopartikkelien käyttö etsittäessä syöpäsoluja ja/tai kasvaimia
• Rokotteiden/injektioiden korvaaminen nanopartikkeleja sisältävillä suun
kautta otettavilla lääkkeillä
• Hampaiden paikka-aineet
• Kehitteillä implanttina toimiva verenpainemittari
Ympäristönsuojelun sovelluksia

Veden puhdistus:
• Teollisuusveden puhdistus nanoteknologian avulla
• Suolan ja metallien poistaminen vedestä
• Veden puhdistaminen viruksista nanoteknologian avulla
(normaalit suodattimet eivät riitä)
• Pohjaveden tai muun veden puhdistus esim. öljystä tai
hiilitetrakloridista
• Pohjaveden neutralisointi nanopartikkelien tai
nanopinnoitettujen putkistojen avulla

Ilman puhdistus:
• Katalyyttiset reaktiot ja tehokkaammat katalysaattorit
Elintarviketeollisuuden sovelluksia

Sovelluskohteita:
• Kalvomaiset nanomateriaalikerrokset kertakäyttöpakkauksiin ja
pakkauskalvoihin, jotka mahdollistavat kaasutiiveyden.
• Muovisiin säilytysastioiden seinämiin on tuotettu
hopeananopartikkeleita tappamaan haitallisia bakteereita.
• Sinkkioksidi nanopartikkelit voivat suojata muovipakkauksissa
olevia elintarvikkeita UV-valon haittavaikutuksia ja suojata
bakteereilta
• Nanosensorit ilmaisevat taudinaiheuttajia (esim. salmonella) ja
ruuan muun pilaantumisen pakkauksen värin muutoksina
Urheiluvälineiden sovelluksia

Sovelluskohteita on kymmenittäin:
• Tennis-, sulkapallo-, golfmailat (jäykkyys,
lujuus)
• Tennispallojen nanokerros, joka estää ilmaa
vuotamasta pallosta
• Polkupyörien osat (keveys, jäykkyys, lujuus)
Lastuavien terien sovelluksia
SiC-C nanojauhetta ja puristettuja koekappaleita
TIN-Si3N4-nanomonikerros teriä
Puolustusteollisuuden sovelluksia

Liukastumisen esto nanopinnoitteella, joka
on tuotettu siiven päälle
6 VALMISTUSMENETELMÄT

Nanomateriaalien valmistuksen
päämenetelmät:
• Sol-gel-synteesi
• Kaasufaasisynteesi

Höyrystäminen plasmalla, laserilla, tai
kemiallisella kaasufaasisynteesillä
• Pinnoitustekniikat
CVD -pinnoitus (Chemical Vapor Deposition)
 HVOF -pinnoitus (High Velocity Oxy Fuel)

• Mekaaninen jauhaminen ja seostus

Hiilinanoputkien valmistus:
• Höyrystämällä suurteholaserilla
grafiittilähdettä metallisten
katalyyttipartikkelien vaikutuksessa
• Johtamalla virta hiiliperusteiseen
elektrodiin sopivassa atmosfäärissä
• Kemiallisen reaktion välityksellä
kaasumaisista reaktiokomponenteista
uunissa (CVD -prosessi)
Sol-gel-tekniikka
Pinnoitegeeli
Tiivis keraamikalvo
Kuumennus
Raaka-aineet,
alkalimetallioksidit
LIUOS
Märkä geeli
Hydrolyysi
Polymeraatio
Kosteuden
haihdutus
Geelimassa
Kuumennus
Tiivis
keraami
Solurakenteinen keraami
Tasalaatuisia partikkeleita
Kuivatusuuni
Keraamiset kuidut
LÄHTÖKOHTA
VAIHTOEHTOISET
PROSESSIT
PÄÄTUOTTEET
Hiilinanoputkilujitettujen komposiittien valmistus



Hiilinanoputkia voidaan sekoittaa
polymeerien lisäksi myös metalleihin,
metallioksideihin ja keraamisiin aineisiin
Tyypillinen valmistusprosessi on
matriisijauheen ja nanoputkien
kuumapuristus
Polymeereihin hiilinanoputket sekoitetaan
ennen polymeerin kovettamista.
Nanopinnoitus
• Plasmaruiskutus
 Plasmaruiskutuksessa käytetään plasmatilassa olevan kaasun tai
kaasuseoksen energiaa jauhemaisen lisäaineen sulattamiseen ja
kuljettamiseen pinnoitettavalle kappaleelle.
 Erikoissovelluksena tyhjiöplasmaruiskutus
• Chemical Vapour Deposition (CVD)
 Pinnoite muodostuu kemiallisen reaktion välityksellä kaasumaisista
reaktiokomponenteista.
 Timantinkaltaiset pinnoitteet tunnetaan lyhenteellä DLC (Diamond Like
Carbon).
 Voidaan valmistaa myös vetyä sisältäviä (10…60%) hydrattuja
amorfisia hiilikalvoja (nk. a-C:H- kalvot).
• High Velocity Oxy Fuel (HVOF)
 HVOF -prosessi on jauhemaisten materiaalien ruiskutusprosessi,
Tarvittava lämpöenergia tuotetaan polttamalla kammiossa esim.
propaanin tai kerosiinin ja hapen seosta.
 Kuumakammioprosessissa jatkuvasti syötettävä, yleensä metallinen
jauhe sulaa, ja se johdetaan argon-kaasun avulla pinnoitussuuttimeen,
jonka kautta pinnoite ohjataan suurella nopeudella (n. 600 m/s)
pinnoitettavaan kappaleeseen.
 Pinnoiteaineen iskeytyessä suurella nopeudella kappaleeseen
muodostuu ominaisuuksiltaan erinomainen pinnoite.
7 NANOTUTKIMUKSEN NYKYTILA
• Tärkeimmät sekä teollisuuden että tutkimuslaitosten tunnistamat tutkimusaiheet
ovat nanokomposiitit, nanorakenteiset materiaalit, ohutnanokalvot ja nanoputket.
• Tutkimuslaitokset painottavat nanoputkia teollisuutta enemmän.
Energiatekniikan sovelluksista on kirjoitettu eniten tutkimustuloksia
Hiilipohjaisista nanomateriaaleista eniten on kirjoitettu tutkimustuloksia v. 2003
hiilinanoputkista. Kasvu artikkelien määrässä on ollut jatkuvaa vuodesta 1990 alkaen.

Hiilinanoputkista kirjoitettujen tutkimustulosten määrä näyttäisi kääntyneen
laskuun v. 2005, mikä korreloi myös teollisuuden ja tutkimuslaitosten
kiinnostuskohteissa havaittuun eroon.
5

Mitä Suomessa
tutkitaan
nanoteknologiasta?
TKK
HY
VTT
Kehitysvaiheet…