Huippututkimuksesta tulevaisuuden sovelluksia

Transkriptio

1 Huippututkimuksesta tulevaisuuden sovelluksia Olli Ikkala Akatemiaprofessori TKK Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto ja Uusien Materiaalien Keskus

2 Huippututkimuksesta tulevaisuuden sovelluksia Mitä on huippututkimus Voidaan ymmärtää monella tavalla, määrittely... Esimerkkejä Hiilen nanoputket Kvanttielektroniikka Nanohiukkaset Itsejärjestyneet materiaalit Nanoselluloosa (?) Laskennalliset menetelmät Optiikka Yhteenveto

3 Huippu Mitä se on? Onko kärsinyt inflaation... Käytämme niin varomattomasti äärimmäisyyksiä kuvaavia termejä Pitäisi kuvata äärimmäistä laatua Muita parempi jollain mittarilla jossain lajissa vrt urheilu tai musiikki Ongelma: ei demokraattinen, saattaa olla vaikea hyväksyä Tullut ajankohtaiseksi globalisaation myötä Miten tunnistaa?

4 Tieteellisen huipun tunnistaminen Huippututkimus Luo uutta tiedettä, joka avaa periaatteellisesti uusia mahdollisuuksia ymmärrykselle ja innovaatiolle Siksi se ei usein ole pienten parannusten reitti Kiistaton huipun tunnus Esim Nobel- tai Millenium-palkinto Tieteen tasoa ei voi tunnistaa, ellei asiasta ole julkaistu ja varmistettu Nykyinen ongelma: Kansainvälinen julkaisutoiminta tasoltaan kirjavaa, joten huippututkimusta ei voi tunnistaa pelkästään julkaisujen määrällä Huippututkimus on kunnianhimoista Keskinkertaisen vastakohta Tunnuslukuja (huom: suuntaa-antavia) Siteerausten määrä: Olemassa hyviä mittareita, helppoa löytää Artikkeleita hyväksytty kunnianhimoisiin ns high impact -lehtiin Patenttien määrä ja mahdollisesti teolliset innovaatiot

5 New forms of carbon Carbon nanotubes nm Exceptional properties: Stiff like diamond Flexible like a rope Electrical conductor or semiconductor Mechanical parts, nanoelectronics Fullerenes Nobel price 1996 Electronic properties Chemical properties Solar cells, memories nm

6 Combine carbon nanotubes and fullerenes Nanobuds Kauppinen, Nasibulin et al Nature Nanotechnology 2007 SME yritys: Canatu (Otaniemi) 10 nm Options for eg. electronics: field emission tips Current density (μa/cm 2 ) ln(j/e 2 ) (A/V 2 ) /E (μm/v) Yu, et al. our result Field strength (V/μm)

7 Aerosols for pharmaceutical dosage formulations dry powder

8 NANOELECTRONICS in the Low Temperature Laboratory Microrefrigerators and nanothermometers for record-breaking low temperatures Nanodevices in the quantum limit Nanodevices in the quantum limit for imaging, metrology and quantum measurements

9 WORLD S S SMALLEST REFRIGERATOR AND THERMOMETER

10 PUMPING ELECTRONS ONE-BY BY-ONE DEVELOPMENT OF A CURRENT STANDARD Device Results

11 SUPERCONDUCTING QUBIT BASIC COMPONENT OF A QUANTUM COMPUTER Patent FI B Capacitive one electron transistor Hakonen, Roschier, Sillanpää Patent sold to an American company called MagiQ Patent FI Method for thermal insulation of a coupling Pekola, Savin, Meschke and Niskanen

12

13 Nanoscience: Temperature switchable electrical and optical properties Conductivity changed as the nanostructures changed PANIPOL Ltd (Porvoo) uses self-assembled elecrically conducting polyaniline polymers MIT Institute of Soldier Nanotechnology: Related materials could have military applications Mechanism

14 Nanostructures of fullerenes Aiming memory devices Nature Materials Science

15 COMP Center of Excellency in Computational Nanoscience Academy professor Risto Nieminen Example 1: Multiscale modelling of nanoelectromechanical structures (NEMS); ollaboration with Coventor Inc (USA).

16 Corner Compensation Simulation using Monte Carlo Atomistic Method

17 Example 2: nanoscale high-k oxides in ultrasmall CMOS devices Design goals: to increase capacitance, to allow thicker layers, and to reduce leakage currents HfO 2 90 nm process capacitance 1 leakage current 1 capacitance 1.6 leakage current < 0.01

18 The growth of Hf0 2 on Si is modelled by firstprinciples MD.

19 Nanoparticles TKK, Lab of Physical Chemistry Kontturi, Murtomäki, Johans, et al Nanometer sized particles from Cobolt, Nickel, Iron, Gold, Silver, etc Magnetic nanoparticles in solvent with OMG Kokkola can be important in future devices Gold nanoparticles have several reduction/oxidation states Journal of the Amer Chem Soc 2003 New device options? EU project Climb the wall!

20 Nanocelluloses: ca. 10 nm fibers TKK Forest & TKK Phys Cellulose nanofibers have extraordinary properties Collaboration with KTH, STFI, and TKK T Lindström s lab/kth J Laine s lab/tkk O Ikkala s lab/tkk L Berglund s lab/kth L Wågberg s lab/kth Gels in water Aerogels: Ductile foams Pääkkö, Ankerfors, Kosonen, Nykänen, Ahola, Österberg, Ruokolainen, Laine, Larsson, Ikkala, Lindström

21 Strong collaboration between VTT Bio and TKK for self-assembled biomaterials For example, combining genetic engineering and materials science Intelligent materials, eg for gene transfer (with A Urtti/HU) Angew Chem,

22

23 Loppukommentteja TKK:lla on laboratorioita ja aloja, jotka ovat yleisesti tieteen arvioinnissa käytetyillä mittareilla kilpailukykyisiä kansainvälisen huipun kanssa Periaattellisesti uutta tiedettä ja innovaatiota Suhtauduttava äärimmäisen varovasti käsitteeseen huippu Tunnistettava harhaanjohtava käyttö Huipulle pyrittäessä varottava keskinkertaisuutta Meidän alalla ei voida julkaista huippulehdissä... Edesmennyt akateemikko Olli V Lounasmaa: Huippututkimusta ei voi synnyttää hallinnollisella päätöksellä (vapaa käännös) Haaste: Miten valita ne kohteet joilla edellytyksiä, nykyistä osaamista, ja kunnianhimoa edetä kohti huippua Erityinen haaste: Miten tukea niitä, jotta niiden sovellutuspotentiaali tuli paremmin käytetyksi

24 COMP CoE in nanoscience: : some recent research areas S(M) G(M) Oxide D(M) channel Molecular thin film