Millennium-palkinto

Mitä se millennium-palkittu atomikerroskasvatusteknologia on?

Järjestyksessään jo kahdeksas Millennium-teknologiapalkinto annettiin tiistaina 22.5.2018. Sen sai suomalainen Tuomo Suntola, joka kehittämä atomikerroskasvatusteknologia on tieteen ja tekniikan varsinainen monitoimityökalu.


Periaate on hyvin yksinkertainen: on tyhjökammio, missä on pinta, jonka päälle halutaan kerrostaa erilaisia aineita. Aineita höyrystetään yksi kerrallaan kammion sisälle sopivissa olosuhteissa (paine ja lämpötila), jolloin niiden atomeita laskeutuu pinnalle ja muodostaa siihen molekyylikerroksen.

Pinta huuhdellaan eri aineiden höyryttämisen välillä ja kerrosten paksuutta voidaan höyrytyksen aikaa ja ainemäärää säätämällä. 

Kerrokset voivat olla joko koko pinnan tasaisesti kattavia, tai niihin voidaan saada aikaan muotoja laittamalla pinnan päälle esimerkiksi valottamalla filmin kaltainen kerros ainetta, joka estää kerroksen muodostumisen. Tämä laminaattikerros huuhdellaan höyrytyksen jälkeen pois, jolloin tuloksena on juuri halutun kaltainen kuvio pinnalla.

Kun tällaisia tarkasti suunniteltuja, eri aineista koostuvia kerroksia ladotaan päällekkäin monia, saadaan aikaan kolmiulotteinen nanokokoa oleva rakenne – kuten esimerkiksi mikropiiri tai valoa hohtava pinta.

Ensimmäinen ALD-tekniikan sovellus olikin elektroluminesenssinäyttö. Niissä lasilevyn päälle rakennettiin atomikerroskasvatuksella ensin läpinäkyvä johderivistö, sitten eristekerros ja sen jälkeen hohdemateriaalikerros, jonka päälle jälleen uusi eristekerros ja lopuksi vielä johdinrivistö. Elektroluminesenssinäytöt ovat erittäin luotettavia ja käteviä yhä edelleen.

Nyt palkittu Tuomo Suntola kehitti ensinnä ALD-teknologian ja ohutkalvojen valmistuslaitteiston 70-luvulla, ja sai niille kansainvälisen patenttisuojan. Tämä mahdollisti ohutkalvojen laajamittaisen teollisen valmistamisen.

ALD-teknologian taustalla olevaa tieteellistä perustutkimusta olivat tehneet myös silloisessa Neuvostoliitossa professorit Valentin B. Aleskovski ja Stanislav I. Koltsov.

”Kun puolijohdeteknologiassa ymmärrettiin ALD-teknologian merkitys 2000-luvun alussa, sen käyttö räjähti valtavaan kasvuun”, Tuomo Suntola toteaa TAF:n tiedotteessa.

Tekniikkaa käytetään runsaasti myös muihin tarkoituksiin ja etenkin ohutkalvojen hyödyntämisestä lääketieteellisissä instrumenteissa ja implanttien pinnoilla on saatu lupaavia tutkimustuloksia.

Startup-yrityksiä on syntynyt kaupallistamaan teknologiaa esimerkiksi sovelluksissa, jotka säätelevät lääkeaineiden vapautumista ihmiskehossa.

ALD-menetelmällä voidaan parantaa muun muassa aurinkokennojen, led-valojen ja sähköautojen litium-akkujen suorituskykyä ja sitä voidaan hyödyntää ympäristöystävällisissä pakkausmateriaaleissa. Menetelmää käytetään myös erilaisissa optiikan sovelluksissa. Arkipäivän käytössä ohutkalvot estävät metallin tummumista kellojen ja hopeakorujen pinnoitteissa.

ALD-kalvojen valmistukseen käytettävien laitteistojen ja kemikaalien maailmanlaajuiset markkinat ovat arviolta noin kaksi miljardia dollaria, ja ALD-teknologiaan nojaavan kuluttajaelektroniikan markkina-arvo yltää jo ainakin viiteensataan miljardiin dollariin.

Atomikerroskasvatusta VTT:n laboratoriossa. Kuva: VTT

Konkreettisimmin ALD on vaikuttanut mikroprosessoreiden ja muistikomponenttien tekemiseen. Elämämme onkin mullistunut koko ajan tehokkaampien älypuhelinten ja tietokoneiden ansiosta. Teknologian kehitys puolestaan on tehnyt mahdolliseksi monia nyt arkisia sovelluksia sosiaalisesta mediasta tekoälyyn.

Suntolan innovaatio on yksi keskeinen tekijä siinä, että kuuluisa Mooren laki on jatkunut aina tähän päivään saakka: mikropiirien teho on kaksinkertaistunut parin vuoden välein hintojen kuitenkin samalla laskiessa.

”ALD-menetelmä on malliesimerkki käyttäjälle piilossa olevasta teknologiasta, joka on kuitenkin välttämätöntä näkyvälle kehitykselle. ALD on demokratisoinut tietotekniikan omistamista ja sen myötä ihmiskunnan tiedonsaantia ja viestintämahdollisuuksia”, sanoo Millennium-teknologiapalkinnon kansainvälisen palkintolautakunnan puheenjohtaja, Aalto-yliopiston professori Päivi Törmä.

*

Juttu perustuu osittain Tekniikan Akatemian tiedotteeseen. Video on Tekniikan Akatemian YouTube-kanavalta.

Suunnatun evoluution äiti sai Millennium-palkinnon

Ti, 05/24/2016 - 18:00 Toimitus
Frances Arnold


California Institute of Technologyssa kemiantekniikan, biotekniikan ja biokemian professorina toimiva Frances Arnold on kehittänyt uuden ja nopean tavan muokata proteiineja – tekniikan, jonka ansiosta uusiutumattomia ja kalliita raaka-aineita käyttävää tuotantoa voidaan korvata kestävän kehityksen mukaisesti useilla teollisuuden aloilla.


Tekniikan Akatemia TAF myönsi vuoden 2016 Millennium-teknologiapalkinnon yhdysvaltalaiselle biokemistille Frances Arnoldille.

Arnoldin uraauurtava innovaatio, suunnattu evoluutio (directed evolution), matkii laboratoriossa luonnonvalintaa. Menetelmällä voidaan luoda uusia ja parempia proteiineja, joita voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi uusiutuvan energian sovelluksissa ja lääkkeiden valmistuksessa.

Suunnatun evoluution avulla entsyymeille voidaan jalostaa ihmiskunnan kannalta hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka eivät kehittyisi ilman ihmisen ohjausta. Frances Arnoldin menetelmä on vallankumouksellinen, koska halutun geenin DNA-rakenteeseen voidaan tehdä sattumanvaraisesti mutaatioita, kuten luonnossakin spontaanisti tapahtuu. Muokatut geenit tuottavat aivan uudenlaisia proteiineja, joiden joukosta valitaan teollisuusprosessien kannalta hyödylliset.

”Suunnatulla evoluutiolla voidaan kiertää se tosiasia, ettei ihminen pysty ennustamaan laboratoriossa tuotettujen mutaatioiden vaikutusta proteiinien ominaisuuksiin. Evoluutio on saanut aikaan planeettamme kauneimmat, monimutkaisimmat ja toimivimmat ratkaisut. Vain evoluution avulla voimme tuottaa sellaista, mitä emme kykene ennalta suunnittelemaan. Siksi tätä maailman parasta luonnon insinööritaitoa kannattaa käyttää hyödyksi”, palkittu Frances Arnold kertoo.

Arnoldin kehittämät innovaatiot ovat mullistaneet aiemmin hitaan ja kalliin proteiinimuokkauksen, ja hänen menetelmänsä ovat käytössä sadoissa laboratorioissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Muokatuilla proteiineilla korvataan kallista tai fossiilisia raaka-aineita käyttävää tuotantoa muun muassa polttoaineiden, paperituotteiden, lääkkeiden, tekstiilien sekä maataloudessa käytettävien kemikaalien valmistuksessa.

Vihreää kemiaa ja mullistavia lääkkeitä

Suunnatun evoluution keskiössä ovat entsyymit, joiden tehtävä luonnossa on muuttaa yhdisteitä toisiksi.

”Suunnattua evoluutiota voidaan hyödyntää biotekniikkaa käyttävillä teollisuuden aloilla, koska biokemialliset reaktiot perustuvat entsyymeihin”, sanoo kansainvälisen palkintolautakunnan puheenjohtaja, professori Jarl-Thure Eriksson.

Suunnatulla evoluutiolla valmistetaan esimerkiksi entsyymejä, jotka muuttavat kasvien selluloosaa biopolttoaineiksi tai kemikaaleiksi. Uusiutuviin raaka-aineisiin ja biotekniikkaan perustuvan vihreän kemianteollisuuden luominen onkin ollut yksi Arnoldin suurimmista tavoitteista.

”Koko urani ajan olen ollut huolestunut vahingosta, jota ihmiset aiheuttavat maapallolle ja toisilleen. Tieteellä ja teknologialla voimme radikaalisti pienentää kielteisiä vaikutuksiamme ympäristöön. Kaikkein tärkeintä on kuitenkin asenteiden muuttaminen, ja tämä on helpompaa, jos meillä on taloudellisesti varteenotettavia korvaajia haitalliselle toiminnalle”, Arnold sanoo.

”Frances Arnoldin innovaation palkitseminen on juuri nyt hyvin ajankohtaista, koska useat maat, Suomi mukaan lukien, pyrkivät vahvistamaan puhdasta teknologiaa käyttävää teollisuutta ja vihreää kasvua”, sanoo Tekniikan Akatemia TAF:n hallituksen puheenjohtaja, professori Marja Makarow.

Palkitun menetelmän tärkeäksi sovellutusalaksi on vihreän kemian ja uusiutuvan energian ohella noussut myös lääketeollisuus. Arnoldin innovaatiolla voidaan rakentaa entsyymejä entistä tehokkaampaan lääkkeiden valmistukseen. Menetelmällä on luotu useita lääkkeitä, esimerkiksi uudenlainen lääke tyypin 2 diabetekseen.

Vahva roolimalli naisille

Frances Arnold toimii Caltechissa (California Institute of Technology) kemiantekniikan, biotekniikan ja biokemian professorina. Arnold on uransa alusta saakka ollut edelläkävijä aiemmin varsin miehisellä alalla. Hän on muun muassa ensimmäinen nainen, joka on valittu kaikkiin kolmeen USA:n kansalliseen tiedeakatemiaan.

”Toivon, että nuoret naiset voivat nähdä itsensä minun paikalleni. Haluaisin palkitsemiseni korostavan sitä, että naiset pystyvät rakentamaan vankan tiede- ja teknologiauran, vaikuttamaan maailmaan ja saamaan tunnustusta”, Arnold sanoo.

Miljoonan euron arvoinen Millennium-teknologiapalkinto jaettiin tänään seitsemättä kertaa.

Artikkeli on Tekniikan akatemian lähettämä tiedote hieman toimitettuna.

Pieni piirros, mutta vallankumous tietoliikenteessä

Ke, 04/20/2016 - 11:09 Jari Mäkinen
Piirros Randy Gilesin muistikirjasta

Päivän kuva tulee vuoden 2008 Millennium-palkintokandidaatin Randy Gilesin muistikirjasta. Piirroksessa on periaate laitteesta, jota sinäkin käytät nyt tätä juttua netin kautta lukiessasi: valokuituituvahvistin.

Päivän kuvaGiles kehitti valokuituvahvistimen periaatteen Bell-yhtiön laboratoriossa vuonna 1985 yhdessä Emmanuel Desurviren kanssa.

Aivan ensimmäisenä ajatuksen uudenlaisista, harvinaisilla maametalleilla seostetuista optista kuiduista esitti Southamptonin yliopiston tutkija David Payne, mutta Bell Labs tutki asiaa jo tuolloin. Esimerkiksi erbiumilla kyllästetty kuitu saattoi toimia ikään kuin valovahvistimina, ja siitä saatettiin kehittää laite, jonka avulla viimeinkin voitaisiin tehdä hyvin pitkiä valokaapeleita; niissä hiipuvaa valoa voitaisiin vahvistaa tasaisin välimatkoin erbium-vahvistimin.

Millennium-palkinnon nettisivu kirjoittaa Gilesistä ja hänen osuudestaan keksinnössä:

Randy Giles, Bellin laboratorioiden laservelho, oli aina ollut kiinnostunut kaikenlaisten optisten laitteiden valmistamisesta. Hän liittyi Desurviren ryhmään vuonna 1986 ja luotsasi laservahvistimen kehittämisestä teollisen kehityshankeen. “Suurin ero Southamptonin yliopistossa tehdyn tutkimuksen ja Bellin laboratorioissa tehdyn tutkimuksen välillä on se, että me olemme teollisuuslaboratorio. Joten hankimme välittömästi tarvittavat työvälineet ja resurssit, jotta pystyimme selvittämään keksinnön merkitystä televiestinnälle. Jokainen tuntui kärsimättömänä odottavan, voitaisiinko todellista tietoa todella vahvistaa hyvälaatuisena ja häiriöttömänä”, Giles kertoo.

Nykyaikaiset valokuituverkot eivät olisi mahdollisia ilman valovahvistimia; tietoliikenne ja internet puolestaan luottavat nykyisin yhä lisääntyvissä määrin valokuituun. Lisäksi optisilla vahvistimilla on käyttöä myös teollisuudessa, missä käytetään suuritehoisia lasereita merkitsemiseen ja työstöön. Myös lääketieteellisissä leikkauksissa käytettävät laserit hyötyvät näistä vahvistimista. Myös laseraseita kehittävät sotilaat ovat tekniikasta hyvin kiinnostuneita.

Ja keksinnön käytännön soveltaminen alkoi tästä, Randy Gilesin muistikirjan kuvasta.

Kuva on otettu Bell-laboratorioiden Crawford Hillin tutkimuslaitoksessa New Jerseyssä, missä Giles työskentelee edelleen optiikan ja optotroniikan parissa – tosin toimien nykyisin myös Bell Labsin Soulin toimipisteen johtajana etänä.

Jutussa on Millennium-palkinnon lisäksi toinenkin yhteys Suomeen: Bell Labs on nykyisin Nokian omistuksessa Alcatelin Nokiaan sulauttamisen kautta.