Uuden äärellä

Vuonna 2006 lähti Otaniemestä maailmalle viesti, jonka mukaan fysiikan professori Esko Kauppisen vetämä tutkijaryhmä oli keksinyt uuden hiilen yhdistelmänanomateriaalin. Keksintö sai nimekseen nanonuppu.

Nanonuppu muodostuu yksiseinäisistä hiilen nanoputkista, joiden ulkopinnoille kiinnittyy hiilen pallomaisia molekyylejä, fullereenejä. Vuonna 2007 Nature Nanotechnology -lehdessä esitellylle nanonupulle on myönnetty uuden materiaalin patentti. Nykymaailmassa se on hyvin harvinaista.

”Totesimme nanonupun olevan eri materiaali kuin aiemmin patentin saaneet hiilinanoputki ja fullereeni. Patentoinnille ei siten ollut esteitä”, Kauppinen kertoo.

Tutkijaryhmä valmisti nanonuppuja synteesikaasureaktorin prosessissa, jonka tutkimisen ja kehittämisen Kauppinen oli aloittanut jo 1990-luvun alussa.

Nanonupuista voidaan valmistaa sähköä johtavia, taipuisia ja venyviä ohutkalvoja. Ohuelle muovikalvolle painettuina niitä voidaan käyttää esimerkiksi matkapuhelinten, tablettitietokoneiden, kameroiden ja päälle puettavien laitteiden kosketusnäytöissä.

”Nanonupuista valmistetun kalvon yksi merkittävä etu taipuisuuden lisäksi on, että se ei heijasta valoa. Johtavuus on samaa luokkaa kuin nykyisillä metallioksidikalvoilla.”

Kaupalliselle tielle

Kaupallisten innovaatioiden kehittämistä ja hyödyntämistä varten Kauppinen perusti tutkijakollegoidensa kanssa spin-off-yrityksen, Canatu Oy:n. Yhtiötä lähti vetämään yksi tutkijaryhmän ydinhenkilöistä. Kauppinen työskentelee edelleen yhtiön hallituksessa.

Yhtiöllä on nykyään tuotantotilat Helsingin Konalassa ja palkkalistalla kolmisenkymmentä henkeä. Tuotetta markkinoidaan ahkerasti ympäri maailmaa.

Canatu valmistaa taipuisaa ja muovailtavaa hiilimateriaalikalvoa kosketusnäyttöihin ja sensoreihin. Sovellusmahdollisuuksia olisi monia muitakin, mutta yhtiössä katsottiin parhaaksi keskittyä rajattuun liiketoiminta-alueeseen.

”Canatun kosketusanturin ominaisuuksia ja valmistusmenetelmää on pystytty jatkuvasti kehittämään. Tuote on nyt parempi kuin perinteinen metallioksideista valmistettu kalvo, ja kehitystyö jatkuu edelleen.”

Perustutkimuksessakin riittää vielä tehtävää. Tutkijat eivät esimerkiksi vieläkään ymmärrä, millä tavalla nanohiiliputki ja nanonuppu kasvavat atomitasolla.

”Nanoputkia ja nuppuja oli aluksi hyvin vaikea tuottaa. Niistä ajoista on päästy paljon eteenpäin, mutta yhä tutkimme synteesiprosessia, jotta sitä olisi helpompi ohjata ja hallita. Aika ajoin palaamme vanhoihin asioihin, tarkastelemme ja kehitämme niitä edelleen uuden tiedon valossa.”

Haasteita riittää

Kauppinen on kehittänyt Canatun toimintaa akateemisen tutkijantyön ohessa. Yhdistelmä on vaatinut pitkiä työpäiviä ja paljon matkustamista.

Rahoituksen järjestäminen on ollut alusta asti suuri haaste. Siinä Canatua ovat auttaneet materiaalille myönnetty patentti, näytöt osaamisesta ja taajaan julkaistut tieteelliset artikkelit.

”Suomen Akatemian projektirahoitukset ovat mahdollistaneet pitkäjänteisen perustutkimuksen. Yritystä puolestaan ovat tukeneet Sitra, Tekes, EU:n rahoitusorganisaatiot ja yksityiset sijoittajat. Ilman yksityistä rahaa yritystoimintaa ei olisi pystytty käynnistämään.”

Toinen iso haaste on asiakkaiden löytäminen. Suuria maailmanluokan yrityksiä on vaikea saada vaihtamaan käytössä olevaa materiaalia kokonaan uuteen, vaikka uusi olisikin vanhaa parempi.

Keksinnön saattaminen laboratoriosta kaupan hyllylle vie paljon aikaa. Esimerkiksi perinteisten puolijohteiden istuttaminen tietoteknisiin sovelluksiin kesti kolmisenkymmentä vuotta.

”Perustutkimuksessa riittää, että tutkijat osoittavat saaneensa esimerkiksi tietyt materiaalin ominaisuudet aikaan kokeellisesti. Kaupallisella puolella kuvaan astuvat muut asiat, kuten asiakkaat, teollinen valmistettavuus, materiaalin vakaus, laadun hallinta ja hinta.”

Rajatonta yhteistyötä

Nanonupun synnyttäminen vaati Kauppiselta kollegoineen kymmenen vuotta intensiivistä tutkimustyötä. Mukana oli ripaus hyvää onnea, sillä aluksi kiinnostuksen pääkohteena olivat nanohiiliputket ja niiden valmistus synteesikaasureaktorissa. Ensimmäiset havainnot nanonupuista saatiin, kun olosuhteita reaktorissa vaihdeltiin tutkittaessa hiilen nanoputkien kasvumekanismeja.

Nykyiseen tilanteeseen on päästy pitkäjänteisen ja määrätietoisen työn tuloksena. Tutkimuksen suunnan Kauppinen valitsi paljon ennen nanonupun löytymistä, kun hän tutki nanomateriaalien valmistusta kaasufaasissa. Tähtäimeksi hän otti elektroniikan sovellukset, joiden kehitystyössä materiaalitekniikalla on iso rooli ja materiaalit usein kalliita.

Kauppinen painottaa hyvän tutkijatiimin ja kansainvälisen yhteistyön tärkeyttä. Nanonupun keksineessä ydinryhmässä työskenteli Kauppisen kanssa muiden muassa yhdysvaltalainen, venäläinen ja kiinalainen kollega. Ajan kuluessa tutkimuksiin on osallistunut kolmisenkymmentä henkilöä, joista monet ovat ulkomaalaisia.

”Yksi tutkijaryhmä ei voi tehdä kaikkea. Tällä hetkellä meillä on kumppaneina japanilainen, kiinalainen, tanskalainen ja ranskalainen ryhmä. Myös yhteistyö yliopiston omien tutkijaryhmien kanssa on tärkeää. Opimme toisiltamme ja saamme yhteistyön kautta huomattavasti parempia tuloksia kuin yksin.”

Ohjeita innovaattoreille

1. Innovaatioita syntyy ryhmässä, jossa on hyvä ilmapiiri ja innostusta uusiin asioihin. Pohdi perustutkimuksen lisäksi myös sovelluksia, ne kulkevat käsi kädessä.
2. Osaaminen on ihmisissä. Kaupallistaessasi innovaatiota houkuttele kollegasi mukaan yritykseen, ainakin joku heistä.
3. Kun perustat yritystä, ole valmis tekemään ylimääräistä. Tämä vaihe voi kestää pitkään.
4. Valmistaudu kohtaamaan erilaisia vaikeuksia kuin tutkimusmaailmassa. Ole avoin uusille asioille.
5. Ole utelias äläkä pelkää epäonnistumista. Asiat menevät harvoin suunnitelmien mukaan.

Esko I. Kauppinen valmistui filosofian tohtoriksi Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta vuonna 1992.

Hän johti VTT:llä aerosolitekniikan ryhmää vuosina 1992–2001. Ryhmä siirtyi Teknilliseen korkeakouluun (nykyisin Aalto-yliopisto) vuonna 2002. Fysiikan professoriksi Kauppinen nimitettiin 2005. Hän johtaa teknillisen fysiikan laitoksen nanomateriaaliryhmää, joka on yksi maailman johtavista hiilen nanonuppujen, -putkien ja nanomateriaalien kaasufaasisynteesin laboratorioista.

Kauppinen on julkaissut noin 340 tieteellistä artikkelia, joista lähes puolet käsittelee hiilinanomateriaaleja. Hänen nimissään on 20 patenttia.

Kauppinen koordinoi eurooppalaisten ja japanilaisten tutkimuslaitosten yhteistä IRENA-hanketta, jonka tavoitteena on kehittää hiilinanoputkista ohutkalvoja korvaamaan kriittisiä metalleja, kuten indium ja gallium, näyttöjen elektroniikassa.
 

Teksti Timo Hämäläinen
Kuva Kira Leskinen

Artikkeli on alun perin julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 16.