O S T I E N S I S TIEDETTÄ JA TUTKIMUSTA JOENSUUN YLIOPISTOSTA 2/2006

Transkriptio

1 TIEDETTÄ JA TUTKIMUSTA JOENSUUN YLIOPISTOSTA 2/2006 1

2 S I S Ä L T Ö Markku Kuittinen Optiikkaa nanometrin tarkkuudella 4 Pasi Laakkonen Diffraktiivista optiikkaa kannettaviin laitteisiin 8 Markku Hauta-Kasari InFotonics Center Joensuu 12 Jussi Parkkinen Spektriväriesitys soveltuu tarkkaan värien käsittelyyn 14 Tapani Pakkanen, Mika Suvanto, Tuula Pakkanen Miten yliopisto-osaamista siirretään yrityksiin ja teollisuuteen 18 Antti Karttunen, Mikko Linnolahti, Tapani Pakkanen Molekyylimallitus nanotasolla: Avain huomisen materiaaleihin 21 Esa Puukilainen, Janne Hirvi, Mika Suvanto, Tapani Pakkanen Luonnon funktionaalisia rakenteita jäljittämässä: Mikro- ja nanorakenteiden siirto muovipinnoille 23 Jani Turunen, Tuula Pakkanen Polymerointia nanoreaktorissa 26 Teemu Paunikallio, Mika Suvanto, Tuula Pakkanen Luonnonkuiduilla lujuutta ja keveyttä muovimateriaaleihin 28 Matti Maltamo Laserkeilaus mullisti metsätieteitä 30 Timo Tokola Paikkatietoteknologisten menetelmien käyttö paranee vähitellen metsätiedonhallinnassa 34 Pentti Zetterberg Dendrokronologia puiden vuosilustot kertovat 38 2 JOENSUU PL Joensuu puh. (013) faksi (013) SAVONLINNA PL Savonlinna puh. (015) faksi (015) MEKRIJÄRVI Yliopistontie Ilomantsi puh. (013) faksi (013)

3 VARPU HEISKANEN UNIVERS tiedotuslehti, Joensuun yliopisto erikoisnumero 8 B Lehden julkaisija JOENSUUN YLIOPISTO Yliopistokatu Joensuu puh. (013) faksi (013) sähköposti: tiedotuslehti@joensuu.fi Päätoimittaja KARI HIPPI Toimittaja/toimitussihteeri SARI ESKELINEN Tiedottaja Ostiensis-lehden alaotsikkona on tiedettä ja tutkimusta Joensuun yliopistosta. Kun esittelemme tiedettä ja tutkimusta täytämme velvoitteita, jotka tulevat julkisuuslaista ja valtioneuvoston viestintäsuosituksesta: viranomaisten tehtävänä on myös tuottaa ja jakaa tietoa. Tämän lehden päärooleissa ovat kemia, fysiikka, metsätiede ja tietojenkäsittelytiede. Metsätieteen alalla laserkeilaus, metsäarvioinnin menetelmän tutkimus on keskittynyt Joensuun yliopiston metsätieteelliseen tiedekuntaan ja Geodeettiseen laitokseen. Tiedekunnassa on meneillään useita laserkeilaukseen liittyviä projekteja. Laserkeilaus on kaukokartoitusmenetelmä, joka tuottaa kolmiulotteista tietoa kasvillisuuden ja maaston rakenteesta. Dendrokronologia puolestaan pyrkii puiden vuosilustojen avulla määrittämään tarkasti puuaineksen iän ja tutkimalla vuosirenkaiden eroavaisuuksia tekemään havaintoja luonnonilmiöistä ja sääoloista. Matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa on kaksi soveltavaan tutkimukseen painottuvaa tutkimuskeskusta. Kemian laitoksen tutkimushankkeista Erikoismateriaalien tutkimuskeskus SMARC:n tehtävä on siirtää yliopistossa kehitettyä materiaalialan osaamista yritysten ja teollisuuden käyttöön. Uusissa materiaaleissa on suuret teolliset kehitysmahdollisuudet. Ne ovat myös maakunnan teollisuuden tärkeä kehittämiskohde. Materiaalialan innovaatioista tehdään tuotteita, koska tulevaisuuden materiaaleille ja niiden laadulle asetetaan yhä suurempia vaatimuksia. Tutkimuskeskuksen toiminnassa kohtaavat kemian laitoksen kansainvälisen tason tieteellinen tutkimus, tieteellinen jatkokoulutus ja laaja tilaustutkimustoiminta alan yritysten kanssa. NINA VENHE Julkaisusihteeri LEENA KONTTINEN Valokuvaajat VARPU HEISKANEN ILKKA KONTTINEN Ulkoasu LEEA WASENIUS Painopaikka SUOMEN GRAAFISET PALVELUT OY Levikki kpl ISSN Univers Joensuun yliopistosta erikoisnumero ilmestyy kahdesti vuodessa. Fysiikan laitos on tutkimustoiminnassaan keskittynyt optiikkaan. Erityisesti diffraktiivisessa optiikassa ja optisessa teknologiassa laitos on kansainvälisesti arvostettu tutkimusyksikkö. Yksi esimerkki alan huippuosaamisesta on yliopiston menestyminen Suomen Akatemian Finland Distinguished Professor Programmen valinnoissa. Finland Distinguished Professor Programmen tavoitteena on vahvistaa suomalaista tieteellistä ja teknologista osaamista sekä kansainvälistää tutkimusjärjestelmäämme. Ohjelmalla myös tuetaan yliopistojen ja tutkimuslaitosten tutkimuksellista erikoistumista sekä luodaan uudenlaista kansainvälistä yhteistyötä yliopistollisen tutkimuksen ja yritysten välille. Saamamme FiDiPro-professori Ari T. Fribergin (Royal Institute of Technology, Ruotsi) arvioidaan kuuluvan maailman optiikan ja fotoniikan tutkijoiden yhden prosentin huippujoukkoon. Hankkeen pääasiallinen tutkimusala on optinen fysiikka. Optiikan ja fotoniikan kehityksellä on merkittävä vaikutus teknologisten innovaatioiden syntyyn 2000-luvulla. Optisilla ilmiöillä, osatekijöillä sekä mikro- ja nanoskaalan laitteilla tulee olemaan erityisen tärkeä rooli tässä kehityksessä. Yhtenä tavoitteena on nostaa Suomi yhdeksi Pohjois-Euroopan johtavista mikro- ja nano-optiikan keskuksista. Hanke on Joensuun yliopiston ja Teknillisen korkeakoulun yhteinen. Suuri osa Joensuun yliopiston tietojenkäsittelytieteen tutkimuksesta on luonteeltaan tieteidenvälistä tutkimusta. Väritutkimusta tehdään tietojenkäsittelytieteen, fysiikan, sovelletun matematiikan ja tilastotieteen yhteisessä InFotonics Center Joensuu -tutkimuskeskuksessa. Sen tutkimusaloilta on tiedekunnasta syntynyt myös spinoffyrityksiä Joensuun seudulle. Lisäksi kansainvälisen tason tutkimus on houkutellut ulkomaisia yrityksiä tutkimusyhteistyöhön keskuksen kanssa. KARI HIPPI, päätoimittaja 3

4 OPTIIKKAA NANOMETRIN TARKKUUDELLA 4

5 MARKKU KUITTINEN professori fysiikan ja matematiikan laitos Mikro- ja varsinkin nanoteknologia ovat nykyisin asioita, joissa lähes kaikki teknologia-alalla työskentelevät ovat jollain tavalla mukana. Esimerkiksi kulutuselektroniikassa tavoitteena on tehdä entistä tehokkaampia ja pienempiä laitteita sekä pakata niihin yhä enemmän toimintoja kuluttajan mielestä ehkä joskus jopa hyödyllisyyden ja käyttökelpoisuuden kustannuksella. Diffraktiiviseksi optiikaksi kutsutulla optiikan osa-alueella pyritään hallitsemaan valoa aallonpituuden kokoluokkaa olevilla, valoa sirottavilla pintarakenteilla. Diffraktiivinen optiikka mahdollistaa useiden optisten toimintojen yhdistämisen yhteen komponenttiin. Esimerkiksi yhdistämällä samaan komponenttiin lyhyt- ja pitkäpolttovälinen linssi voidaan valmistaa keinotekoinen mykiö ihmissilmään. Optiikan tutkimuksella ja sen soveltamisella on alati kasvava rooli tässä kehityksessä; tämä näkyy muun muassa kansallisella ja Euroopan unionin tasolla jatkuvasti lisääntyvänä optiikan tutkimusrahoituksena. Joensuun ylipistossa optiikan tukeminen näkyy siten, että optiikka on valittu yhdeksi yliopiston strategisista painoaloista. Joensuulainen optiikan tutkimus tarjoaa kotimaisille yrityksille mahdollisuuden pysyä kärjessä alan teknologioiden soveltamisessa. Tutkimus mahdollistaa myös uusien innovaatioiden ja sitä kautta uusien optiikan alalla toimivien kilpailukykyisten yritysten synnyn. Diffraktiivisten rakenteiden valmistus on vaativaa. Perusedellytyksenä on pölytön puhdastila siis tila, josta on poistettu tavallisessa huoneilmassa leijailevat miljoonat pienhiukkaset. Tämä on tärkeää, sillä pölyhiukkaset ovat usein kymmeniä kertoja suurempia kuin valmistettavat optiset rakenteet. Lisäksi tarvitaan lukuisia huipputeknisiä laitteita ja ennen kaikkea osaavia ihmisiä. MIKRO- JA NANORAKENTEIDEN VALMISTAMINEN MIKSI TARVITAAN PIENIÄ RAKENTEITA? Minkä tahansa aaltoliikkeen hallitsemiseen tarvitaan suunnilleen kyseessä olevien aaltojen kokoisia rakenteita. Esimerkiksi sisävesialueilla aallonmurtajat voidaan rakentaa huomattavasti matalammiksi kuin merialueilla, koska sisävesillä aallot ovat matalampia. Optiikassa käytettävät aallonpituudet ovat noin sadasta nanometristä aina muutamiin tuhansiin nanometreihin, joten valon hallintaan tarvittavien rakenteiden on oltava samaa kokoluokkaa. PERUSEDELLYTYKSINÄ OSAAMINEN, PUHDASTILAT JA LAITTEET Perinteisessä optiikassakin (muun muassa linssit ja peilit) vaatimus aaltojen kokoluokkaa olevista rakenteista toteutuu siinä mielessä, että kaikkien pinnanmuotojen on oltava oikein valon aallonpituutta selvästi pienemmällä tarkkuudella. Jo pelkästään silmälasien linssien hiominen kaikkine mahdollisine taittovirheiden korjauksineen vaatii hyvin kehittynyttä tekniikkaa. Rakenteiden kuviointia varten valmistetaan ensin näyte: muutamia satoja nanometrejä paksu erikoismateriaalikalvo (resistikalvo) levitetään tyypillisesti 0,5 millimetriä tai 3,0 millimetriä paksun, halkaisijaltaan 2,5 senttimetrin kvartsikiekon päälle. Yksi vaihtoehto haluttujen rakenteiden kuvioimiseksi resistiin on käyttää elektronisädekirjoitinta. Kirjoittimessa muodostetaan kv:n kiihdytysjännitteen ja magneettilinssien avulla elektronisuihku, joka materiaaliin osuessaan on halkaisijaltaan alle 10 nanometriä suihku voidaan kohdistaa haluttuun paikkaan noin kahden nanometrin tarkkuudella. Elektronisuihkua ja näytettä liikuttelemalla saadaan näytteeseen piirrettyä mitä tahansa kuvioita (kuva 1). Tyypillisesti kuvioitujen alueiden koko on muutamia neliömillimetrejä, mutta tarvittaessa pystytään kuvioimaan useiden neliösenttienkin kokoisia alueita. Resistiin osuvien elektronien nopeus törmäyshetkellä on km/s. Tällä nopeudella elektronit menevät pääasiassa resistikalvon läpi pilkkoen samalla resistin molekyylirakennetta. Tämä pilkkoontunut materiaali voidaan kuvioinnin jälkeen liuottaa kemiallisesti pois. Liuotuksen jälkeen näytteen kuvioimattomat alueet ovat siis edelleen resistikalvon suo- 5

6 OPTIIKKAA NANOMET Kuva 1b. Elektronisädekirjoittimella tehtyjä kuvioita: hilarakennetta kuva Noora Heikkilä Kuva 1a. Elektronisädekirjoittimella tehtyjä kuvioita: maailman pienin poro kuva Henna Pietarinen Kuva 2. Kuvan 1b elementin tuottama valokuva kuva Noora Heikkilä jaamia. Komponenttien toiminnan kannalta on tärkeää, että kuvioitujen rakenteiden reunat ovat kohdallaan muutaman nanometrin tarkkuudella. Rakenteiden kuviointiin voidaan käyttää myös pieneksi pisteeksi kohdistettua lasersädettä. Toiminta-ajatus tässäkin kuviointimenetelmässä on sama kuin elektronisädekirjoituksessa: lasersäteellä muutetaan resistin ominaisuuksia siten, että materiaali voidaan valotuksen jälkeen liuottaa pois valotetuilta alueilta. Laserilla ei pystytä tekemään aivan niin pieniä yksityiskohtia kuin elektronisädekirjoittimella pienimpien yksityiskohtien koko on muutamia satoja nanometrejä. Kuitenkin myös laserkirjoittimissa viivojen paikannustarkkuus on parhaimmillaan muutamien nanometrien luokkaa. Seuraavaksi näyte laitetaan etsauslaitteeseen, jossa resistikalvoon puhkaistujen aukkojen kautta syövytetään kvartsia sekä kemiallisten reaktioiden avulla että ionipommituksella. Tämän työvaiheen tarkoituksena on siirtää kuvioitu rakenne kestävään materiaaliin ja antaa rakenteelle sen lopullinen syvyys, joka tyypillisesti on muutamasta sadasta nanometristä aina muutamaan tuhanteen nanometriin. Jotta rakenne toimisi suunnitellulla tavalla, syvyyden on oltava noin 10 nanometrin tarkkuudella kohdallaan. Etsauksen jälkeen näyte on valmis käytettäväksi. Suunnitellun toiminnan lisäksi elementit voivat joskus synnyttää kauniita valoilmiöitä (kuva 2). Yllä kuvatulla tavalla valmistetut komponentit ovat yksittäiskappaleina erittäin kalliita, eikä niitä voida ajatella sovellettaviksi kuluttajatuotteissa. Tuotteiden kappalehinta saadaan kuitenkin hyvin edulliseksi valmistamalla niistä kopioita rakenteet kopioidaan yleensä muoveihin käyttäen esimerkiksi kuumapaino- tai ruiskuvalutekniikkaa. VAIHTOEHTOINEN VALMISTUSTAPA 6 Edellä kuvattu antaa vain pienen aavistuksen niistä työvaiheista ja tekniikoista, joita nykyisin käytetään, kun valmistetaan optisia komponentteja eri teknologiasovelluksiin. Esimerkiksi rakenteiden kuvioinnissa voimakkain kehitys tapahtuu tällä hetkellä laserablaatioksi kutsutun tekniikan alalla. Ablaatiossa on kyse materiaalin suorasta höyrystämisestä voimakkaan valoenergian avulla. Jotta materiaalin suora höyrystyminen olisi mahdollista, on energiaa keskitettävä pienelle alueelle todella lyhyinä, noin 150 femtosekunnin mittaisina pulsseina. Kuvassa 3 a) on tällä tekniikalla yhdellä pulssilla 80 nanometriä paksuun kromikalvoon tehtyjä reikiä. Ensimmäisiä

7 RIN TARKKUUDELLA Laser-ablaatiolla tehtyjä rakenteita: Kuva 3 a halkaisijaltaan yhden mikrometrin reikiä ohuessa kromikalvossa kuva Kimmo Päiväsaari ja Jarno Kaakkunen kaupallisia laserablaatiolla tehtyjä massatuotteita ovat erilaiset lasin sisään tehdyt kolmiulotteiset kuvat, joita voi ostaa matkamuistoesineiksi tai vaikkapa avaimenperiksi (kuva 3 b). Optisen teknologian suunta on selvä: optisia toimintoja pakataan entistä enemmän entistä pienempiin komponentteihin. Yhtenä osatavoitteena on jopa korvata osa nykyisistä elektroniikalla toteutetuista toiminnoista optiikan avulla. Joensuun yliopiston fysiikan yksikkö on vahvasti edesauttamassa tätä kehitystä sekä teoreettisella että kokeellisella osaamisellaan. Mikrometri = millimetrin tuhannesosa, Nanometri = millimetrin miljoonasosa, Femtosekunti = nanosekunnin miljoonasosa, esim. valo etenee yhdessä femtosekunnissa vain 300 nanometriä. Kuva 3 b Laser-ablaatioilla tehtyjä rakenteita: kolmiulotteinen kuva sudesta lasisessa avaimenperässä kuva Pertti Pääkkönen 7

8 Kuva 1. Diffraktiivinen valaisusysteemi. Nuolella merkityissä kohdissa on diffraktiiviset valoa aaltojohteeseen kytkevät hilarakenteet. Valo kytketään ulos näppäimistön rei istä ja ylhäällä olevasta näytön alueesta. kuva Samuli Siitonen 8

9 PASI LAAKKONEN fi losofi an tohtori fysiikan ja matematiikan laitos DIFFRAKTIIVISTA OPTIIKKAA KANNETTAVIIN LAITTEISIIN Voisiko sinunkin matkapuhelimessasi olla Joensuun yliopiston fysiikan ja matematiikan laitoksella kehitettyä tekniikkaa? Kyllä voisi ja lähitulevaisuudessa voisi ehkä olla entistä enemmänkin. Fysiikan ja matematiikan laitoksella on tutkittu useita vuosia tekniikoita, joilla voidaan oleellisesti pienentää kannettavien laitteiden optisia toimintoja ja toisaalta nostaa optisten komponenttien tehokkuutta. Tämä tulee johtamaan laitteiden virrankulutuksen pienenemiseen ja myös kannettavien laitteiden pienempään kokoon. Herääkin kysymys, millä tavalla optisia komponentteja voidaan pienentää ja samalla nostaa niiden tehokkuutta? Ratkaisun tähän tarjoaa laitoksen suurin tutkimusala, diffraktiivinen optiikka, jossa valon kulkua ohjataan valon aallonpituuden suuruusluokkaa olevilla mikro- ja nanorakenteilla. Nämä valoa ohjailevat diffraktiiviset hilat valmistetaan laitoksen ensiluokkaisissa puhdastilalaboratorioissa. Viimeisten vuosien aikana laitos on investoinut puhdastilalaboratorioihin noin neljä miljoonaa euroa ja nykyinen laboratorio on maailmanlaajuisesti korkealuokkainen. Tänä kesänä laitos on muun muassa ottanut käyttöön uuden elektronisädekirjoittimen, joka on avannut uusia mahdollisuuksia hilojen valmistamiseen kasvaneen nopeuden ja parantuneen tarkkuuden ansiosta. KÄNNYKÄN VALAISUSYSTEEMI Kuvassa 1 on periaatekuva kehitetystä ohuesta optisesta valaisusysteemistä, jolla valaistaan kännykän näyttö ja näppäimistö, siis kaikki kännykän valaisua kaipaavat alueet. Ohueen, 0,6 millimetriä paksuun muoviseen tasomaiseen aaltojohteeseen on valmistettu hilarakenteet, joilla valonlähteinä toimivien ledien valo kytketään sisään ja valo kytketään ulos halutuissa kohdissa. Näin saavutetaan ohut ja toimiva optinen kokonaisuus. Edellä mainittuja valon sisäänkytkentätekniikoita aaltojohteisiin tutkitaan voimakkaasti. Tämä on tärkeää, koska useissa teollisissa sovelluksissa käytetään aaltojohteita ja näiden valoa aaltojohteisiin kytkevien diffraktiivisten rakenteiden tulee mahtua pieneen tilaan. Toisaalta useissa sovelluksissa käytetään valkeaa valoa, jossa on useita aallonpituuksia. Diffraktiohila toimii optimaalisesti vain yhdelle aallonpituudelle ja näin ollen tutkimuksessa joudutaan kehittämään valmistuksellisesti monimutkaisempia hilarakenteita, jotka toimivat hyvin valkealle valolle, eli koko käytettävälle aallonpituuskaistalle. 9

10 Kuva 4. Diffraktiivisen virtuaalinäytön periaate. Vasemmalla oleva miniatyrisoitu kuvan lähetin lähettää auton kuvan, linssioptiikka suuntaa valon ja kuva etenee aaltojohteessa. Kuva saadaan ulos aaltojohteesta oikealla olevalla uloskytkentähilalla. Katsoja mieltää kuvan esimerkiksi sata kertaa alkuperäistä suurempana. 10 Kuva 3. Mikroruiskuvalettu hybridilinssi. Diffraktiivinen hila sijaitsee nuolen osoittamassa keskikohdassa ja linssin halkaisija D=4 mm. kuva Henna Pietarinen HYBRIDILINSSI Eräs tärkeä sovellus kannettavissa laitteissa ovat kamerat ja niiden linssit. Normaali linssi aiheuttaa värivirheen eli linssin läpi mennessään eri värit fokusoituvat eri pisteisiin. Tämä linssin kuvausvirhe voidaan korjata laittamalla kaksi linssiä peräkkäin, mutta se vaatii suuremman tilan. Värivirhe voidaan korjata myös diffraktiivisilla hiloilla valmistamalla linssin toiselle pinnalle hilarakenne kuvan 2 mukaisesti. Tällöin värivirhettä ei esiinny ja linssin kuvaus saadaan muodostettua yhdellä niin sanotulla hybridilinssillä pienessä tilassa. Laitoksella käynnissä olevassa Teksin rahoittamassa NAMI-projektissa tutkitaan muun muassa. hybridilinssien valmistamista mikroruiskuvalumenetelmillä. Esimerkki valmistetusta hybridilinssistä on esitetty kuvassa 3. VIRTUAALINÄYTTÖ Mobiililaitteisiin halutaan usein asentaa siihen mahdollisimman suuri näyttö. Rajoituksena kuitenkin usein on se, ettei tilaa ole rajattomasti ja siksi olisi parempi, jos suurikokoiselta näyttävä kuva voitaisiin muodostaa pienessä tilassa. Eräänä ratkaisuna tähän toimii kuvan 4 mukainen diffraktiivinen virtuaalinäyttöteknologia. Tässä sovelluksessa kuva muodostetaan pienellä ~1 senttimetrin kokoisella lähettimellä, kuva kytketään aaltojohteeseen, ja suurennettu kuva kytketään ulos aaltojohteesta. Lopputuloksena kuvan lähettimestä lähetetty kuva nähdään uloskytkentähilojen kohdalla moninkertaisesti suurennettuna. Kokonaisuutena diffraktiivinen optiikka tarjoaa siis monipuoliset mahdollisuudet hallita valon kulkua pienessä tilassa. Odotettavissa onkin lähivuosina voimakas kannettaviin laitteisiin liittyvän diffraktiivisen optiikan tutkimuksen lisääntyminen ja kehitettyjen menetelmien soveltaminen kuluttajatuotteissa.

11 Kuva 2. Ylhäällä: Normaali linssi, joka taittaa valon eri värit eri pisteisiin ja aiheuttaa värivirheen. Alhaalla: Linssin aiheuttama värivirhe korjataan valmistamalla toiselle pinnalle diffraktiivinen hilarakenne. kuva Heikki Hyvärinen 11

12 IN FOTO NICS CENTER JOENSUU 12

13 MARKKU HAUTA-KASARI johtaja InFotonics Center Joensuu InFotonics Center Joensuu on Joensuun yliopiston fysiikan ja matematiikan sekä tietojenkäsittelytieteen ja tilastotieteen laitosten yhteinen soveltavan tutkimuksen laboratorio. Joensuun yliopiston fysiikan tutkimuksessa optiikka on ollut päätutkimusala yli 30 vuoden ajan. Tutkimus on kansainvälisesti tunnettua ja fysiikan henkilöstö muodostaa 75 työntekijällään selkeästi Suomen suurimman optiikan tutkimuksen yksikön. Optiikan tutkimuksen alat ovat aalto-optinen teknologia, optinen materiaalitutkimus ja spektrinen väritutkimus. Tietojenkäsittelytieteen ja tilastotieteen laitos on kasvanut viimeisten vuosien aikana merkittävästi ja tällä hetkellä laitoksella työskentelee 85 työntekijää. Laitoksen tutkimusalat ovat medialaskenta ja opetusteknologia, lisäksi opetuksessa ohjelmistotuotanto on keskeisessä asemassa. Medialaskennassa eräs keskeinen tutkimusala on väritutkimus, missä tutkimus on kansainvälisesti tunnustettua. Väritutkimusryhmä, jonka juuret ovat 80-luvun alkupuoliskolla, on fysiikan ja tietojenkäsittelytieteen yhteinen ryhmä, jossa työskentelee 25 henkeä. Kyseessä on hyvin poikkitieteellinen tutkimusryhmä, ja se muodostuu yhteistyökumppaneineen fysiikan, tietojenkäsittelytieteen, sovelletun matematiikan, tietotekniikan, havaintopsykologian ja tilastotieteen osaajista. InFotonics Center Joensuu aloitti toimintansa syyskuussa 2003 fysiikan ja tietojenkäsittelytieteen laitosten yhteisenä projektina. Rahoitus tutkimuskeskukselle saatiin Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) ohjelman TE-keskuksen toimintaympäristötukena ja Pohjois-Karjalan maakuntaliiton rahoituksesta. Tällä rahoituksella InFotonics Center Joensuussa on työskennellyt 12 henkeä: johtaja, projektikoordinaattori, projektisihteeri, 2 johtavaa tutkijaa, laboratorioinsinööri, 4 tutkijaa ja 2 suunnittelijaa. Vuodesta 2003 lähtien InFotonics Center Joensuu on toteuttanut yli 30 yritystoimeksiantoa, jotka ovat olleet tutkimusalueisiimme liittyviä soveltavan tutkimuksen projekteja, esiselvityksiä ja konseptin suunnitteluja. Lisäksi olemme generoineet soveltavan tutkimuksen tutkimusprojekteja muiden tutkimusorganisaatioiden ja korkean teknologian yritysten kanssa. Tällä hetkellä keskus on mukana seitsemässä Tekes-rahoitteisessa tutkimusprojektissa. InFotonics Center Joensuulla on hyvä yhteistyöverkosto alan parhaiden ulkomaisten väritutkimuslaboratorioiden kanssa. InFotonics Center Joensuun tehtävänä on toimia siltana Joensuun yliopiston perustutkimuksen ja tutkimustuloksia hyödyntävän teollisuuden välillä. Kansainvälistä tutkimusyhteistyötä on myös ulkomaisten yritysten kanssa. Yhteistyöyrityksiä ovat muun muassa Samsung Electronics, Etelä-Korea, Daimler-Chrysler, Saksa, Denso Corporation, Japani ja WinGlobal, Taiwan. Nykyisin InFotonics Center Joensuun päärahoitus koostuu hankkeesta InFotonics Center Joensuu toiminnan kehittäminen, joka kuuluu Euregio Karelia naapuruusohjelmaan. Hankkeen toteutusaika on , ja sen kokonaisrahoitus on euroa, missä kansallinen rahoitusosuus tulee Tekesiltä. Hankkeessa on yritysosapuolina mukana viisi yritystä: Metso Paper Oyj, M-real Oyj, Mäntsälän saha Oy, PunaMusta Oy ja Stora Enso Oyj. Hankkeessa on mukana kolme venäläistä yliopistoa: Pietarin valtionyliopisto, Pietarin valtion tekninen yliopisto ja Petroskoin valtionyliopisto. Hanke koostuu viidestä tutkimuskokonaisuudesta, jotka ovat: paperi- ja painoteollisuuden värimittaus ja analyysi, spektrikuvaformaatin standardointi, paperiteollisuuden optiset mittaukset (kiintoainemittaus ja pinnan laadunmittaus), nanorakenteiden sovellukset fotoniikassa ja tulevaisuuden näyttölaitetekniikoissa, sekä taideteosten värimittaus ja analyysi. 13

14 14

15 JUSSI PARKKINEN professori tietojenkäsittelytieteen ja tilastotieteen laitos SPEKTRIVÄRIESITYS SOVELTUU TARKKAAN VÄRIEN KÄSITTELYYN Väri on materiaalin ominaisuus, joka havaitaan, kun värillisestä kohteesta tuleva valo osuu väri-ilmaisimeen. Väri-ilmaisin voi olla ihmissilmä, jonkin eläimen silmä tai keinotekoinen väri-ilmaisin. Se, millä aallonpituusalueella säteily näkyy värinä, riippuu ilmaisimesta. Ihmissilmälle näkyvän valon aallonpituusväli on nanometriä. Tosin ihmissilmän herkkyys ääripäissä on niin heikko, että käytännössä alue on välillä nanometriä. Se minä väreinä eri aallonpituutta oleva säteily näyttää ihmissilmälle, on esitetty väripalkkina kuvassa 1. Eläinkunnassa on erilaisia värinäköjärjestelmiä ja esimerkiksi mehiläiset ja monet linnut näkevät ultraviolettivaloa. Keinotekoiset värinäköjärjestelmät voivat nähdä vielä laajemman aallonpituusalueen. Kysymys onko väriä ilman havaitsijaa, on filosofinen. Jos värin olemassaoloon tarvitaan havaitsija, on väri erilainen eri havaitsijoille. Usein väri määritellään ihmisen värinäkönä. Tämä taas on hieman ongelmallinen eläinten värinäön suhteen. Värin tarkka esitys on mahdollista värispektrin avulla. Värispektri on värillisestä kohteesta tulevan valon intensiteettijakauma aallonpituuden funktiona. Kaikissa luonnollisissa kohteissa on kaikkia aallonpituuksia. Kohteen väri riippuu siitä, millainen eri aallonpituuksien suhteellinen intensiteettijakauma on. Esimerkiksi koulun kuvaamataidossa opittiin, että puhtaat perusvärit ovat sininen, keltainen ja punainen. Nämä eivät ole spektrivärin mielessä puhtaita, vain yhtä aallonpituutta sisältäviä värejä. Kuvassa 2 on kolmen vesiväripaletissa käytetyn värin spektrit. Kuvasta nähdään selvästi, että kaikissa väreissä on kaikkia aallonpituuksia. Väri-ilmaisimeen tuleva värispektri on valolähteen spektrin ja värillisen kohteen heijastusspektrin tulo. Ihmissilmässä on kolmenlaisia väriherkkiä soluja, tappeja. Näillä kullakin on oma aallonpituusherkkyyskäyränsä. Kukin solutyyppi siis reagoi omalla tavallaan silmään tulevaan valoon. Aivot oppivat tunnistamaan värit näiden solujen vasteiden jakaumasta. Kuvassa 3 on kuvattu tappisolujen vasteiden muodostuminen. Kuvassa on valolähteen spektri, värillisen kohteen heijastusspektri, kohteesta ilmaisimelle lähtevän valon spektri (valolähteen spektrin ja kohteen heijastusspektrin tulo), silmän kolmen väriherkän tappiso- lun herkkyyskäyrät sekä näiden kunkin vaste silmään tulevaan valoon. MIKSI SPEKTRINEN VÄRIESITYS Ihmissilmään tulevassa valossa on siis tarkka tieto katsottavan kohteen väristä, värispektri. Kun ihmisen näköjärjestelmä muodostaa kuvan kohteen väristä, perustuu se kolmen eri tappisolun havaitsemaan likiarvoon silmään tulevasta värispektristä. Kuvan 2 avulla voidaan päätellä, että moni eri värispektri tuottaa saman väriarvokolmikon ihmissilmässä, siis eri spektrit näyttävät samalta väriltä. Tätä ilmiötä kutsutaan metameriaksi, ja se on ongelma monissa eri yhteyksissä. Esimerkiksi vaateliikkeessä loisteputken valossa saattavat hattu ja takki näyttää samanvärisiltä, mutta kun niitä katsotaan kotona hehkulampun valossa, vaatekappaleet ovatkin erivärisiä. Tämä ongelma voitaisiin korjata vaatteiden tekovaiheessa, jos niiden värejä tarkkaillaan värispektrin eikä perinteisen ihmissilmään perustuvan värimallin avulla. Nykytekniikassa yllä mainittua metameriaa käytetään myös hyväksi. Yleensä 15

16 SPEKTRIVÄRIESITYS SOVELTUU... Kuva 2. Kuva 3. Kuva 1. 16

17 luonnossa esiintyvien kohteiden värispektrit ovat sileitä ja piikittömiä, kuten vesivärinappien spektrit kuvassa 2. Nykyaikaisten litteiden näyttölaitteiden, esimerkiksi tietokonenäyttöjen tuottamat värispektrit ovat erilaisia. Niissä on myös teräviä piikkejä. Metamerian avulla voimme kuitenkin etsiä sellaiset näyttölaitteiden spektrit, joiden väri näyttää samalta kuin luonnollisen kohteen spektrin aiheuttama väri. Tähän ilmiöön perustuen voimme tuottaa tietokoneella ja televisioruudulla oikean näköisiä värejä. VÄRIT OVAT MYÖS MATEMAATTISIA OLIOITA Perinteinen väritutkimus perustuu ihmisen värinäön malliin. Samoin kaikki standardit väriesitykset, kuten tietokonenäyttöjen RGB-väriesitys, väripainotekniikan CMYK-väriesitys ja paperiteollisuuden L * a * b * -väriesitys, perustuvat tähän malliin. Matemaattisesti niissä lähinnä määritellään kuinka yhdestä kolmiarvoesityksestä arvot voidaan muuntaa toiseen. Joensuun yliopiston väritutkimusryhmän eräs keskeinen tutkimusaihe on se, millainen matemaattinen rakenne olisi sopivin kuvaamaan väriavaruutta ja millaisin matemaattisin operaatioin väriä voidaan analysoida tehokkaasti ja tarkasti. Värispektri sisältää kohteen väriinformaation ja siksi käytämme omassa tutkimuksessamme värispektriä värin esityksenä kaikissa mahdollisissa käsittelyketjun vaiheissa: värin mittaaminen värin muokkaaminen värin tallennus värin näyttö. Matemaattisena rakenteena tutkimme reprodusoivien ytimien Hilbert-avaruuksien ja n-ulotteisten vektoriavaruuksien käyttökelpoisuutta värien esittämiseen ja analyysiin. Yhdistämme tämän matemaattisen käsittelyn hahmontunnistustutkimuksen menetelmiin. Näillä tekniikoilla voidaan esimerkiksi tuottaa likimääräinen värispektri, vaikka väri havaittaisiin digitaalikameran kolmen värin (RGB) väritekniikalla. Tämän spektrin likiarvon tuottamiseen käytämme hahmontunnistuksen oppivia menetelmiä. Näihin matemaattisiin malleihin perustuvia tekniikoita voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi digitaalisten värikuvien tiivistämisessä tai digitaalikameran kuvien värinkorjausohjelmissa. Viime mainitulle alalle väritutkimusryhmästä on syntynyt Joensuun Tiedepuistossa toimiva spinoff yritys, SoftColor Oy. SPEKTRIVÄRITEKNIIKKAA KEHITETÄÄN JO OLOHUONEESEEN Digitaalikuvat ovat eräs nopeasti leviävä värien käyttöalue. Tarkka värin käsittely värispektriä käyttäen perinteisen kolmiväriesityksen sijaan vaatii uusia laitteita. Nämä vaatimukset koskevat sekä värikameroita että näyttö- ja tulostuslaitteita. Nykyiset digitaalikamerat ottavat kolme eri osakuvaa: punaisen, vihreän ja sinisen. Nämä samat osakuvat tuodaan myös tietokoneen näytölle tai televisioruudulle. Värikuva muodostuu yhdistämällä osakuvat. Jos otamme spektrikuvauksessa kolmen sijasta esimerkiksi 81 osakuvaa eri aallonpituuksilla, ei edellä kuvattua tekniikkaa voida enää käyttää. Spektrikuvauksessa kamerat ovat erilaisia. Ne ovat isompia kuin digitaalikamera, eikä kuvan ottaminenkaan tapahdu vielä sekunnin murto-osassa. Spektriväritekniikkaan perustuvien näyttölaitteiden eräänä etuna on se, että värit voidaan näyttää oikeina. Nykyiset kolmen värin tekniikkaan perustuvat näytöt eivät pysty näyttämään kaikkia luonnon värejä. Erityisesti vihreissä, punaisissa ja purppuraväreissä on puutteita. Ensimmäisiä spektriväriajatukseen perustuvia näyttöjä, joissa on neljä tai kuusi osaväriä, on jo markkinoilla. Näillä aloilla olemme tehneet tiivistä yhteistyötä japanilaisten yliopistojen kanssa. SPEKTRIVÄRITEKNIIKAN SOVELLUKSET LISÄÄNTYVÄT Teollisuudessa spektriväritekniikan käyttö on lisääntynyt nopeasti. Myös sovellusalojen kirjo kasvaa koko ajan. Joensuussa erityisesti InFotonics Center Joensuu on tehnyt aktiivisesti työtä teollisuudessa merkittävien sovellusalojen tutkimuksessa. Teollisuusaloja, joissa spektriväritekniikkaa on sovellettu, ovat muun muassa paperiteollisuus, muoviteollisuus, kiviteollisuus ja painotekniikka. Esimerkiksi paperiteollisuuden monet mittausstandardit on tehty valkoiselle paperille. Esimerkiksi opasiteetin eli paperin läpinäkymättömyyden standardin mukainen määrittely ei ota huomioon väriä lainkaan. Olemme kuitenkin äskettäin osoittaneet tutkimuksissamme, että värillisissä papereissa standardimenetelmä ei toimi, vaan tarvitaan värin huomioon ottava opasiteetin määrittely. KANSAINVÄLINEN YHTEISTYÖ VILKASTA Joensuun väritutkimusryhmä toimii aktiivisesti myös kansainvälisessä tutkimusyhteisössä. Ryhmällä on hyvät suhteet useaan saman alan ulkomaiseen tutkimusryhmään. Erityisen aktiivista tutkija- ja opiskelijavaihtoa on ollut Japaniin. Nyt olemme käynnistämässä opetusyhteistyötä ranskalaisen St. Etiennen yliopiston ja espanjalaisen Granadan yliopiston kanssa. Tutkimusryhmän jäsenet ovat myös aktiivisesti mukana kansainvälisten värialan konferenssien järjestelytoimikunnissa ja muussa organisoidussa alan toiminnassa. 17

18 SMARC 18

19 TAPANI PAKKANEN professori kemian laitos MIKA SUVANTO fi losofi an tohtori kemian laitos TUULA PAKKANEN professori kemian laitos MITEN YLIOPISTO-OSAAMISTA SIIRRETÄÄN YRITYKSIIN JA TEOLLISUUTEEN? Yliopistoihin kohdistuu suuria odotuksia koulutuksessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Kansallisen koulutus- ja sivistystehtävän lisäksi elinkeinoelämä odottaa yliopistojen tuottavan myös tutkimustuloksia, joita voidaan hyödyntää teollisessa tuotannossa. Yliopistoja pidetään maakuntien kehityksen vetureina, jotka luovat edellytykset yritystoiminnan kasvulle. Suomen yliopistot ovatkin saaneet tunnustusta korkeatasoisesta koulutustoiminnasta, mutta tutkimuksessa ne eivät sijoitu maailman huippuyliopistojen joukkoon. Yliopistojen ongelma on tutkimukseen käytettävien perusresurssien vähyys. Yliopistojen mahdollisuudet osaamispohjan kehittämiseen ja laajentamiseen ovat puutteelliset. Perusvoimavarat riittävät lähinnä opetuksen ja hallinnon tekemiseen. Tutkimusrahoitus on pääosin haettava yliopiston ulkopuolelta. Erikoismateriaalien tutkimuskeskus SMARC käynnistettiin keväällä Sen tavoit teena oli tieteellisen perusosaamisen kehittäminen valikoiduilla materiaalitutkimuksen aloilla ja tämän osaamisen siirto yritysmaailmaan ja teollisuuteen. Painopistealueiksi valittiin erikoispolymeerit, pintailmiöihin perustuvat erikoismateriaalit, erikoiskata lyytit, materiaalimallitus ja nanomateriaalit. Lähtökohta, jolta käytännön sovelluksia lähdettiin etsimäänoli kansainvälisen tieteellisen tason saavuttaminen. Toimintaan liit tyi oleellisesti tutkijakunnan kouluttaminen sekä perus- että jatkokoulutustasoilla. Osaamisen ja osaajien hyödyntämiseksi on luotu laaja kansallinen ja kansainvälinen yhteistyöverkosto. Rakennerahastorahoituksen ohella toimintaa on laajennettu sekä yrityksille suoraan suunnatuilla tilaustutkimuksilla että hakeutumisella alan tutkimusohjelmiin. SMARC:n ensimmäinen toimintajakso on päättymässä vuoden 2007 lopussa, mutta jo nyt voidaan arvioida saavutettuja tuloksia. Toiminnan rahoitusvolyymi on vuosita solla noin miljoonan euron luokkaa, josta rakennerahaston osuus on puolet, tilaustut kimusten yksi neljännes ja kilpaillun ohjelmarahoituksen osuus myös yksi neljännes. Hankekokonaisuudessa tehdään vuosittain noin 20 henkilötyövuotta. Hankekauden aikana on valmistunut tai valmistumassa yli 70 kansainvälistä tieteellistä julkaisua, yli 30 pro gradu -tutkielmaa, 8 lisensiaattityötä ja 13 väitöskirjaa. Tieteellinen julkaisutoiminta ja jatkokoulutus ovat keskeisessä asemassa tutkimuksen laadun ja osaajien tuottamisen arvioinnissa. SMARC:n yhteistyö yritysmaailman kanssa on vilkasta. Yrityskontakteja on yli puolensataa, tilaustutkimuksia on tehty 25 yrityksen ja 7 yliopiston kanssa. Hankesopimuksia on lähes 40 ja analyysipalveluissa on noin 80 toimeksiantoa. SMARC on eräs Joensuun yliopiston tehokkaimpia välineitä tieteellisen perustutkimuksen tulosten sekä osaamisen siirrossa yritysten ja teollisuuden käyttöön. Se kasvattaa osaltaan maakunnan osaamispotentiaalia, joka on keskeinen alueellinen kilpailutekijä. Osaamisen kehittäminen on yhdistetty yliopiston perustehtävien, tutkimuksen ja koulutuksen toteuttamiseen. Vuoden 2007 jälkeen SMARC:n toimintaa jatketaan uusilla konsepteilla, joissa perustutkimukseen pohjautuvaa teknologian siirtoa edelleen tehostetaan ja laajennetaan valtakunnallisesti. SMARC:ssa kehitettyä osaamista esitellään seuraavissa kirjoituksissa yksityiskohtaisemmin. 19

20 SMARC PINTAILMIÖT MATERIAALIMALLITUS MATERIAALI- JA SMARC FYSIKAALINEN NANO- JA MIKROMATERIAALIT ERIKOISKATALYYTIT KEMIA POLYMEERI- JA KOMPOSIITTIMATERIAALIT 20

21 MOLEKYYLIMALLITUS NANOTASOLLA: ANTTI KARTTUNEN fi losofi an maisteri kemian laitos MIKKO LINNOLAHTI dosentti kemian laitos TAPANI PAKKANEN professori kemian laitos AVAIN HUOMISEN MATERIAALEIHIN Nanorakenteet ovat suuria molekyylejä, jotka kooltaan asettuvat metrin miljardisosan ja miljoonasosan välille. Materiaalien muokkaus nanotasolla vaikuttaa suuresti niiden ominaisuuksiin. Esimerkki nanotason materiaalimuokkauksesta on grafi ittihiilen taivuttaminen hiilinanoputkeksi (kuva 1). Tällöin pehmeä ja hauras grafi itti muuttuu äärimmäisen vahvaksi, terästäkin lähes sata kertaa lujemmaksi materiaaliksi. Vastaavia esimerkkejä nanotason rakennemuokkausten mullistavista vaikutuksista tunnetaan lukuisia. Nanotekniikan ennustetaan lähitulevaisuudessa tuovan merkittäviä edistysaskelia useilla aloilla kuten materiaalitekniikassa, elektroniikassa sekä lääketieteessä. Nanomateriaalien kehittämiseen käytetään valtavasti resursseja. Todellinen ymmärrys rakenteen ja ominaisuuksien riippuvuuksista on kuitenkin usein puutteellista, koska kokeellisin menetelmin saatava tieto nanomateriaalien rakenteista pohjautuu yleensä elektronimikroskooppikuviin. Mikroskooppien tarkkuudet eivät kuitenkaan yllä atomitason rakenteeseen, joka lopulta määrää materiaalien ominaisuudet. Materiaalimallinnus tietokoneiden avulla mahdollistaa nanorakenteiden tarkastelun atomitasolla ja siten niiden rakenteiden ja ominaisuuksien ymmärtämisen. Mallinnus nanotasolla vaatii huipputehokkaita tietokoneita sekä kehittyneimpien laskentamenetelmien monipuolista hallintaa. Jo tänä päivänä materiaalimallinnuksella on merkittävä rooli nanotieteissä ja on ilmeistä, että sen merkitys tulee entisestään kasvamaan tietokoneiden ja ohjelmistojen nopean kehityksen ansiosta. Olemme tarkastelleet materiaalimallinnuksen keinoin useita nanomateriaaleja atomitasolla, selvittäen niiden rakenteita, pysyvyyksiä ja ominaisuuksia (kuva 2). Osa tutkimuksistamme on keskittynyt jo olemassa olevien nanomateriaalien, kuten alumiinin ja piin oksidien sekä magnesiumdikloridin rakenteiden määritykseen. Kyseiset materiaalit ovat tärkeässä roolissa polyeteeni- ja polypropeenimuovien valmistuksessa. 21

22 Kuva 2. Esimerkkejä tutkimistamme nanomateriaaleista. Ylhäältä vasemmalta lukien: alumiinioksaanin nanoputki, piidioksidin nanopallo, magnesiumdikloridin nanoputki ja fulleraani. Tutkimuksemme ovat auttaneet ymmärtämään muovien valmistusprosessin yksityiskohtia ja vaikuttaneet teollisten prosessien käytännön toteutukseen. neosiksi. Fulleraanien kiinnostavuutta lisää niiden todennäköinen esiintyminen avaruudessa, mikä selittäisi osan tähtien välisen aineen koostumuksesta. 22 Kuva 1. Grafiittihiilen ja hiilinanoputken atomitason rakenne. Merkittävä osa tutkimuksiamme on uudentyyppisten nanomateriaalien rakenteiden ja ominaisuuksien ennustaminen. Magnesiumdikloridin nanoputkien olemassaolon ennustimme ennen niiden kokeellista valmistamista. Eräs ennustamamme uusi yhdisteryhmä on fulleraanit, jotka ovat fullereenien, onttojen hiilihäkkien, johdannaisia. Fulleraanit ja vastaavat piiyhdisteet soveltuvat vedyn ja muiden kemikaalien varastointiin sekä puolijohdekomponenttien raken- Kyky ennustaa materiaalien rakenteet, pysyvyydet ja ominaisuudet ennen niiden valmistusta on materiaalimallinnuksen keskeinen tehtävä. Yhdistämällä materiaalimallinnuksella ja kokeellisilla menetelmillä saatava tieto vähennetään oleellisesti kokeellisen työn määrää. Samalla voidaan suunnitella uudentyyppisiä materiaaleja, joiden sovelluskohtaiset ominaisuudet ovat systemaattisesti räätälöitävissä.

23 LUONNON FUNKTIONAALISIA RAKENTEITA JÄLJITTÄMÄSSÄ: MIKRO- JA NANO- RAKENTEIDEN SIIRTO MUOVI- PINNOILLE ESA PUUKILAINEN fi losofi an maisteri kemian laitos JANNE HIRVI fi losofi an maisteri kemian laitos Luonnossa esiintyy pintoja, joissa säännöllinen pinnanrakenne yhdistettynä tiettyyn pinnankoostumukseen tuottaa aivan erityisiä ominaisuuksia kyseiselle kasville tai hyönteiselle. Lotuskasvin lehtien ja kaskaan siipien vedenhylkivyys, eli hydrofobisuus on poikkeuksellinen. Järjestäytynyt pinnanrakenne sekä mikro- että nanomittakaavassa yhdistettynä alhaisen pintaenergian koostumukseen aikaansaavat lotuskasvin lehdille superhydrofobiset ja itsepuhdistuvat ominaisuudet. Satava vesi pisaroituu lehdille ja vieriessään pinnalta se kuljettaa likapartikkelit mukanaan. Perhosen siipien värisävyt ja edelweiss-kukan poikkeuksellisen hyvä ultraviolettisäteilyn kestokyky ovat muita esimerkkejä luonnon funktionaalisista pinnoista. Kemiallinen kaasufaasipinnoitus (CVD), plasma- tai laserkäsittely, litografia, sooli-geeli-pinnoitus ja liuospolymerointi ovat esimerkkejä menetelmistä, joilla on pyritty jäljittelemään luonnon hydrofobisia pintoja. Useilla näistä on kuitenkin huomattavia rajoituksia teollisia arkipäivän sovellutuksia ajatellen. Pinnan funktionalisointi saattaa vaatia esimerkiksi erittäin korkeaa tyhjiötä tai lämpötilaa, lisäksi useat menetelmät soveltuvat ainoastaan rajoitetun kokoiselle tasopinnalle. Kehittämässämme menetelmässä muovikappaleiden pinnoille monistetaan ruiskuvaluprosessissa samanaikaisesti säännöllinen pinnanrakenne sekä mikro- että nanomittakaavassa. Mikrotyöstörobotilla työstetään muottiin säännöllinen rakenne, jonka mittasuhteita voidaan säädellä muutaman mikrometrin tarkkuudella. Seuraavaksi tälle alumiiniselle muotille tehdään sähkökemiallinen käsittely, joka tuottaa siihen lisäksi säännöllisen halutun kokoisen nanorakenteen. Muottiin työstetyt rakenteet ovat painaumia, joten muoviin toistuu ruiskuvalussa kontrolloitu tappimainen rakenne sekä mikro- että nanomittakaavassa. Näiden halutun mallisten muovikappaleiden kemiallista koostumusta voidaan räätälöidä tarkoituksenmukaiseksi joko lisäaineistamalla tai pinnoittamalla. Ra- MIKA SUVANTO fi losofi an tohtori kemian laitos TAPANI PAKKANEN professori kemian laitos 23

24 Kuva 1. Vasemmalla SEM-kuva kaskaan siivestä (T. Sun, L. Feng, X. Gao, L. Jiang, Accounts of Chemical Research 38 (2005) ). Oikealla nanorakenteista polypropeenin pintaa ja vesipisaran käyttäytyminen pinnalla. Veden ja pinnan välinen kontaktikulma on noin 130 astetta. Kuva 2. Vasemmalla SEM-kuva lotus-kasvin pinnalta (W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta 202 (1997) 1-8), jossa veden ja pinnan välinen kontaktikulma on noin 160 astetta. Keskellä ja oikealla ylhäällä mikro-nanorakenteista polypropeenin pintaa ja oikealla alhaalla vesipisaran käyttäytyminen pinnalla. Veden ja pinnan välinen kontaktikulma on noin 170 astetta. 24

25 MIKRO- JA NANO- Kuva 3. Simuloitu kontaktikulma ja hyd ro fobisuus kasvavat vasemmalta oikealle pinnan ja pisaran välisen kontaktialan pienentyessä. RAKENTEIDEN SIIRTO MUOVI- PINNOILLE kenteiden yhdenmukaisuus luonnon funktionaalisiin pintoihin on huomattava. Veden kontaktikulma nanorakenteisella polypropeenipinnalla (PP) kasvaa noin 25 astetta ja yhdistelmärakenteisella pinnalla noin 70 astetta. Säännöllisen mikro-nanorakenteen avulla PP:lle saadaan superhydrofobiset pintaominaisuudet: veden kontaktikulma pinnalla on noin 170 astetta ja pisara vierii jo muutamalla asteella kallistetulla pinnalla. Kehittämämme valmistusmenetelmä mahdollistaa edullisten perusmuovien jalostusarvon lisäämisen teollisuustuotannossa ja laajan hyödyntämisen sekä käyttöesineinä että korkean teknologian tuotteina. Kokeellisen tutkimuksen tukena molekyylidynamiikkasimulaatiot (MD) tarjoavat teoreettisen lähestymiskeinon superhydrofobisten rakenteiden optimoinnille suunnitellun käyttökohteen tarpeisiin. Nanomittakaavan simulaatiot mahdollistavat pinnanrakenteen hallitun muokkauksen sekä identtisen vertailun eri pintamateriaaleille. Simuloidut kontaktikulmat antavat reaalisen vastineen kokeellisesti havaittavasta kontaktikulmasta. Samalla saadaan visuaalista informaatiota kostumisesta ja sen mekanismeista atomitasolla. Tämä edesauttaa ymmärtämään pinnankarheudesta johtuvaa hydrofobisuuden kasvua ja edelleen ilmiön hyödyntämistä jokapäiväisessä elämässä. Tämä tutkimus on malliesimerkki työstä, jossa kansainvälisen tason perustutkimuksen tulokset ovat suoraan hyödynnettävissä huipputeknologian sovellutuksissa. 25

26 Kuva 1. Mesohuokoselliselle silikalle sidotulla metalloseenikatalyytillä tuotettua kuitumaista polyeteeniä. Kuva 2. Nanokuitujen tarkastelua elektronimikroskoopilla. 26

27 JANI TURUNEN fi losofi an lisensiaatti kemian laitos TUULA PAKKANEN professori kemian laitos POLYMEROINTIA NANOREAKTORISSA Polyeteenin ja polypropeenin osuus valtamuovien maailmanlaajuisessa tuotannossa kasvaa jatkuvasti niiden edullisuuden, ympäristöystävällisyyden ja monikäyttöisyyden vuoksi. Polymeerejä valmistetaan katalyyttien avulla. Tämä mahdollistaa esimerkiksi polyeteenin ja polypropeenin valmistuksen lähtöaineistaan jo huoneenlämpötilassa ja hyvin matalissa paineissa. Reaktio-olosuhteiden lisäksi katalyyteillä voidaan myös vaikuttaa muodostuvan polymeerin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Polymerointikatalyytit ovatkin yksi kemian laitoksen katalyysitutkimuksen painopistealueista. Tutkimus on keskittynyt paljon tietotaitoa vaativiin, korkean teknologian metalloseenikatalyytteihin. Kemian laitoksella on tutkittu uudentyyppisen, kuitumaisen mesohuokosellisen piidioksidin eli silikan käyttökelpoisuutta metalloseenikatalyytin kantajamateriaalina. Kyseiselle silikalle ominaista on kuidun pituusakselin mukaan hunajakennomaisesti järjestyneet, putkimaiset huokoset. Huokosten halkaisija on vain 3 6 millimetrin miljoonasosaa, jolloin esimerkiksi hiuksen paksuisen silikakuidun poikkipinnalle mahtuu yli 500 miljoonaa huokosputkea. Tämän ominaisuuden vuoksi materiaalilla on myös poikkeuksellisen suuri pinta-ala, jopa yli 1400 m 2 /g. Grammalla silikaa on siis yli kolmen koripallokentän suuruinen pinta-ala. Suuri pinta-ala onkin haluttu ominaisuus kantajamateriaalille, sillä se mahdollistaa suuremman katalyyttimäärän sitomisen kantajalle. Kantajan järjestäytyneen huokosrakenteen merkitys puolestaan korostuu polymeroinnissa: huokospinnoille sidotut metalloseenikatalyyttimolekyylit tuottavat polymeeriketjuja, jotka samansuuntaisista huokosputkista ulostyöntyessään muodostavat polymeerinanokuituja (kuva 1). Kuitumainen rakenne antaa polymeerille ylivertaiset mekaaniset ominaisuudet. Joensuun yliopistossa on tutkittu uudentyyppistä tapaa rakentaa metalloseeniyhdiste lähtöaineistaan suoraan silikan huokoseen sekä panostettu erityisesti aikaansaadun katalyytin rakennetutkimukseen. Eräänä maailmanlaajuisena metalloseenikatalyysin ongelmana on ollut metalloseenin irtoaminen kantajaltaan polymeroinnin aikana. Tällä on ei-toivottuja vaikutuksia polymerointiprosessiin. Kemian laitoksen katalyysitutkimuksessa on onnistuttu selvittämään ongelman syy ja menestyksekkäästi kehitetty tehokas keino ehkäistä metalloseenikatalyytin irtoamista kantajalta. Kemian laitoksen metalloseenitutkimus on osaamisintensiivistä perustutkimusta, jolla on vahva teknologinen potentiaali. Polymeerikatalyyttien kehitystyöllä on merkittävä vaikutus elinkeinoelämään ja se on määritelty Suomen Akatemian ja Tekesin Finnsight ennakoinnissa yhdeksi materiaaliteknologian kärkialueeksi. 27

28 LUONNONKUIDUILLA LUJUUTTA JA KEVEYTTÄ MUOVIMATERIAALEIHIN Kuva 2. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva polyamidi-aminosilaani-viskoosikuitukomposiittin kuidun ja muovin välisestä rajapinnasta. 28

29 TEEMU PAUNIKALLIO fi losofi an lisensiaatti kemian laitos MIKA SUVANTO fi losofi an tohtori kemian laitos TUULA PAKKANEN professori kemian laitos Kuva 1. Polyamidi-viskoosikuitukomposiittien mekaaniset ominaisuudet: a) polyamidi, b) polyamidi-viskoosikuitukomposiitti ja c) polyamidi-aminosilaaniviskoosikuitukomposiitti. Uudet huipputeknologian sovellukset edellyttävät materiaaleilta erityisominaisuuksia kuten keveyttä, lujuutta ja kestävyyttä ääriolosuhteissa. Komposiiteissa halutaan tuoda esiin yksittäisten materiaalien parhaat ominaisuudet ja minimoida niiden huonot puolet yhdistämällä kahta tai useampaa materiaalia toisiinsa. Esimerkkejä komposiittien uusista sovellusalueista löytyy kuljetusväline-, avaruus- ja puolustusteknologioista. Ensimmäiset komposiitit perustuivat luonnonkuituihin ja niiden käyttö laajeni 1900-luvun alussa hartsien keksimisen jälkeen. Kun halvat muovit tulivat markkinoille, komposiittien kehitystyö, soveltaminen ja käyttö vähenivät. Nykyään luonnonkuitukomposiitit ovat jälleen valtaamassa markkinoita funktionaalisina ja ympäristöystävällisinä tuotteina. Pohjois-Karjalassa luonnonkuitukomposiittien tutkimus ja tuotekehitys on noussut merkittäväksi painopistealueeksi. Alueen teollista komposiittituotantoa tukee Joensuun yliopiston kemian laitoksella tehtävä tieteellinen komposiittimateriaalien kehitystyö. Tärkeä alueellinen komposiittiosaamisen soveltaja ja yhteistyötaho on ollut Joensuun Tiedepuiston Puu- ja metsäosaamiskeskus verkostoineen. Yleisimpiä komposiiteissa käytettäviä kuitumateriaaleja ovat eri puulajeista saadut kuidut sekä pellava-, sisal- ja juuttikuidut, jotka ovat pääosin selluloosaa. Pääkomponentteina komposiiteissa olevat kestomuotit mahdollistavat massatuotannossa käytettävän ruiskuvalun soveltamisen komposiittituotteiden valmistamisessa. Luonnonkuitujen käytön etuna on, etteivät ne kuluta komposiittien valmistuslaitteistoa. Lisäksi muihin täyteaineisiin verrattuna ne ovat keveitä ja niistä valmistetut komposiitit voidaan polttaa energiaksi elinkaarensa lopuksi. Haasteena luonnonkuitukomposiittien kehittämisessä on lujan adheesion eli tartunnan tuottaminen kahden kemiallisesti erilaisen materiaalin välille. Tämä tutkimustyö on Joensuun yliopiston luonnonkuitukomposiittiosaamisen ydinaluetta. Adheesiota voidaan edistää erilaisilla kytkentäaineilla, jotka parantavat muovin ja kuidun välistä yhteensopivuutta. Sopivan kytkentäaineen lisäksi tärkeiksi tekijöiksi mekaanisten ominaisuuksien ja adheesion kannalta on osoittautunut kytkentäaineen määrä ja lisäystapa. Joensuussa kehitettyä kaasufaasimenetelmää käyttämällä on saatu polyamidi/viskoosikuitukomposiittien lujuus jopa yli kaksinkertaistumaan pelkkään polymeeriin verrattuna (kuva 1). Parantunut adheesio polyamidi/viskoosikuitukomposiitissa voidaan havaita myös pyyhkäisyelektronimikroskopialla (kuva 2). Lisäksi lujitemuovina haasteellisen polypropeenin komposiittisovellusten mekaanista lujuutta on pystytty lisäämään merkittävästi sekä tunnetuilla että tutkimusryhmässä kehitetyllä uudella kytkentäkemialla. Materiaalikemian ryhmä on määrätietoisesti kehittänyt osaamistaan ja laitekantaa komposiittitutkimuksen alueella. Ryhmä on noussut alalla kansallisesti merkittäväksi tekijäksi ja ollut mukana komposiittiosaamisen siirrossa teolliseen käyttöön. Tutkimustyö on avannut uusia kontakteja ja osaamista on viime aikoina laajennettu nanokomposiittien alueelle. 29

30 30 Kuva 2. Maalaserkeilaimella mitattu kuusi. Copyright Harri Kaartinen, Geodeettinen laitos.

31 MATTI MALTAMO professori metsätieteellinen tiedekunta LASER- KEILAUS MULLISTI METSÄTIETEITÄ Aloitin metsätieteelliset opinnot Joensuussa 1980-luvun puolivälissä. Silloin satelliitteihin perustuva kaukokartoitus oli päivän sana. Avaruudesta piti nähtämän, erotettavan ja tulkittavan kaikki mahdollinen ja esimerkiksi metsävarojen kartoituksen oli tarkoitus siirtyä maasta taivaisiin. Ihan niin hyvin ei käynyt. Itse asiassa erilaiset optiset kaukokartoitusmenetelmät ovat olleet metsätieteiden ikuinen lupaus jo pitkään. Erilaisia sensoreita on laukaistu avaruuteen ja kiinnitelty lentokoneisiin, mutta kaukokartoitusaineistojen hyödynnettävyys on boreaalisella kasvillisuusvyöhykkeellä yleensä rajoittunut karkeisiin maankäyttöluokituksiin ja erilaiseen maastomittausten aputietona toimimiseen esimerkiksi metsikkökuvioiden rajauksessa. Kaikki muuttui kuitenkin muutamassa vuodessa laserkeilauksen myötä. LÄPIMURTO Joensuun yliopiston metsätieteellisessä tiedekunnassa laserkeilauksen metsäsovellusten tutkimus alkoi 2000-luvun alkupuolella. Läpimurto niin tieteellisesti kuin käytännön metsäsovellusten kannalta tapahtui Pääasiallinen tutkimuskohde on ollut lähes koko maan kattavan metsäsuunnittelun lähtötiedon subjektiivisen, epätarkan ja työvoimavaltaisen kuvioittaisen arvioinnin korvaaminen kaukokartoituspohjaisella inventointijärjestelmällä. Jos menetelmiä tarkastellaan esimerkiksi puuston tilavuuden ennustamistarkkuuden avulla, on perinteinen maastomittauksiin perustuva kuvioittainen arviointi tuottanut yleensä noin prosentin keskivirheen, kun taas laserkeilauspohjaisesti voidaan päästä jopa alle 10 prosentin virheisiin. Myös kustannustehokkuudeltaan laserkeilaus on nykyistä maastoinventointia edullisempi. Aikaisemmin kokeiltujen satelliitti- ja ilmakuvien vastaava virhetaso on puolestaan luokkaa prosenttia, mikä ei ole riittävä tarkkuus metsäsuunnittelun kannalta. SUOMALAINEN ERITYISPIIRRE Laserkeilauksen metsätieteellistä soveltamista ei ole keksitty Joensuussa. Perinteisesti alan tutkimusta on tehty muun muassa Norjassa ja Pohjois- Amerikassa. Suomessa laserkeilauksen soveltamisalgoritmien teknisen kehityksen pioneeri on puolestaan Geodeettinen laitos. Eri maiden metsätieteellisillä ja -taloudellisilla sovelluksilla on kuitenkin omat erityispiirteensä ja Suomessa jo mainittu 31