timo_vehvilainen.jpg

Supertietokoneella uusien hiilimateriaalien jäljille

26.01.2012

Tutkija Timo Vehviläinen etsi väitöstyössään tapaa säilöä räjähdysaltista vetyä turvallisesti hiilen nanorakenteisiin, mutta löysikin uusia hiilirakenteita.

Koulussa opitut hiilen kaksi rakennemuotoa, grafiitti ja timantti, ovat saaneet viimeisen vuosikymmenen aikana rinnalleen kymmeniä uusia hiilirakenteita. Jalkapallon muotoinen pallohiili fullereeni ja yhden atomikerroksen paksuinen hiililevy grafeeni ovat tuoneet löytäjilleen jopa Nobelin palkinnot. Aalto-yliopiston tutkija Timo Vehviläinen löysi väitöstyössään laskennallisin menetelmin useita uusia hiilirakenteita.

Vehviläisen erityisen mielenkiinnon kohteena oli pienin mahdollinen fullereenimolekyyli, kahdestakymmenestä hiiliatomista muodostuva pallomainen C20. Tärkeä tutkimuskysymys oli, sopisiko pallohiili vedyn varastointiin.

"Joissain tutkimuspapereissa ehdotetaan, että fullereenin sisään voitaisiin varastoida jopa 60 vetyatomia", Vehviläinen kertoo.

Hiili on keskeisessä roolissa maailman energiahuollossa, sillä hiilivetyjä polttamalla tuotetaan suurin osa maailman energiasta. Ehtyviä fossiilisia polttoaineita korvaamaan on ehdotettu vetyä, mutta herkästi räjähtävän kaasun valmistus ja varastointi on suuri ongelma. "Turvallisinta olisi, jos saisimme vedyn sitoutumaan kiinteään aineeseen – ja irtoamaan siitä tarvittaessa helposti", Vehviläinen kertoo.

Vehviläisen simulaatiot fullereenilla ja vedyllä paljastivat, että atomimuotoinen vety sitoutuu fullereeniin liiankin hanakasti. Vetyatomit saadaan lämmittämällä myös fullereenipallon sisään, mutta vedyn irrottaminen fullereenista on äärimmäisen vaikeaa.

"Jos olisimme löytäneet tavan vedyn varastointiin, olisimme tosi kuuluisia", Vehviläinen toteaa realistisesti.

Aallon tutkijat jatkavat simulaatioita, mutta nyt testatun atomimuotoisen vedyn sijasta molekyylimuotoisella, luonnossa esiintyvällä H2 -vedyllä.

Vaikka työssä ei syntynyt tieteellistä läpimurtoa, saatiin paljon uutta tietoa hiiliyhdisteiden atomitason fysiikasta.

"Fullereeniin kiinnittyvä vetyatomi tekee molekyylistä magneettisen. Emme vielä tiedä mistä se johtuu. "

Väitöstyön päätuloksia olivat Vehviläisen ennustamat uudet hiilirakenteet. Eräs näistä oli kvasigrafeeni, rakenteeltaan hiilinanoputkien ja grafiitin risteytys.

"Sen mekaaniset ominaisuudet kuten hiilinanoputkella, vetolujuudeltaan paljon terästä vahvempaa. Toisessa suunnassa se on pehmeää kuin grafiitti", Vehviläinen kuvaa ihmeainetta. Myös materiaalin sähköiset ominaisuudet yhdistelmä molemmista.

"Rakenteen tietyt suunnat ovat puolijohtavia, toiset johtavia."

Mielenkiintoista kvasigrafeenissa on myös se, ettei sitä ole olemassa kuin supertietokoneen ennustamana. Tämä ei vaivaa laskennallista fyysikkoa. Hän uskoo, että kymmenen vuoden päästä materiaalin syntetisoiminen ei ole mikään ongelma. Alan kehitys on ollut huimaa.

"Kun aloitin väitöstutkimusta, esimerkiksi C20-fullereenin syntetisointia pidettiin mahdottomana. Nyt se on jo mahdollista."

Laskennallisen fyysikon työkaluja ovat satojen prosessorien voimin numeroita murskaavat supertietokoneet. Liikkeelle lähdetään kvanttifysiikan perusteista, Schrödingerin yhtälöistä. Tietokonesimulaatiot kertovat, mitä aineessa atomi- ja elektronitasolla tapahtuu. Vehviläinen pystyy ennustamaan esimerkiksi, mihin fullereenimolekyylin hiiliatomiin vety todennäköisimmin kiinnittyy, ja millainen polymeerirakenne muodostuu, kun fullereenimolekyylejä puristetaan kovassa paineessa.

"Voimme ennustaa myös uusien hiilirakenteiden ominaisuuksia, esimerkiksi miten vahvoja ne ovat timanttiin nähden."

Nyt erityisen kiinnostuksen kohteena ovat kolmeulotteiset fullereenipolymeerit. Vehviläisen lista mahdollisista sovelluksista on pitkä.

"Vedyn varastointi, äärimmäisen kestävät materiaalit, elektroniikkakomponentit, kvanttipisteet. Hiili on äärimmäisen monipuolinen materiaali."

Timo Vehviläisen väitöskirja "Hydrogen interaction with carbon nanostructures" tarkastettiin Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa 19.1.2012.

Aalto-yliopiston Electronic Properties of Materials -ryhmä: http://tfy.tkk.fi/epm/

Lisätiedot: Tutkija Timo Vehviläinen, p. 040 753 8064, vehvilainen [at] iki [dot] fi

 

Teksti ja kuva: Petja Partanen/Tarinatakomo

Takaisin

Bookmark and Share