väitös

Omituista: valolla voi hallita valoa

Ti, 10/04/2016 - 12:11 Toimitus
Lasersydämiä

Nykyaikainen tiedonvälitys ja -tallennus käyttää hyväkseen runsaasti valon ja aineen vuorovaikutusta. On kyse sitten DVD-levyistä tai optisista kuiduista, niiden toiminta perustuu valon ja aineen yhteistoimintaan. Kun tutkijat tavoittelevat yhä nopeampia yhteyksiä ja suurempaa tallennuskapasiteettia, katsotaan nyt uuteen suuntaan: orgaanisiin materiaaleihin.

Tulevaisuuden tiedonvälityksessä käytetään paljon nykyisiä tekniikoita enemmän orgaanisia materiaaleja, koska ne reagoivat poikkeuksellisen voimakkaasti valoon. 

Lisäksi orgaanisten aineiden etuja ovat edullisuus, helppo mekaaninen työstettävyys sekä ominaisuuksien räätälöitävyys aina molekyylitasolta lähtien.

Tampereen teknillisessä yliopistossa ensi perjantaina väittelevä Matti Virkki on paneutunut erityisesti supramolekulaarisiin materiaaleihin.

"Supramolekulaarisissa materiaaleissa molekyylit vuorovaikuttavat keskenään halutulla tavalla", kertoo Virkki. "Valjastin nämä vuorovaikutukset palvelemaan aineen uudelleenjärjestäytymistä, kun siihen kohdistetaan valoa." 

Aineen molekyylitason järjestys määrää suurelta osin miten valon ominaisuudet muuttuvat sen edetessä kyseisessä aineessa. Valolla aikaansaatu uudelleenjärjestäytyminen saa valon käyttäytymään aineessa eri tavalla. Lopputulos on siten valolla ohjattu materiaali valon hallintaan.

"Supramolekulaaristen vuorovaikutusten ymmärtäminen auttaa kehittämään materiaaleja, jotka muokkaavat valon ominaisuuksia entistä voimakkaammin ja nopeammin. Ennen kaikkea lähestymistavan etuna on kemiallisen synteesin yksinkertaistuminen: Aiempaa pienemmät rakenneosat muodostavat itsestään halutun rakenteen, kun ne sekoitetaan keskenään."

Tarkemmin sanottuna Virkin työmaana on epälineaarinen optiikka. Esimerkkejä tämän sovelluksista ovat valon värin muuttaminen uusien lasereiden valmistuksessa sekä valon modulointi eli muokkaaminen suurella taajuudella tiedonvälitystä varten.

Virkin fysiikan alaan kuuluvaan väitöskirjaan Supramolecular Materials for Photocontrolled Optical Nonlinearity (Supramolekulaarisia materiaaleja valolla ohjattuun epälineaariseen optiikkaan) voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-3825-4

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston lähettämään tiedotteeseen.

Enemmän irti koivusta!

Pe, 03/13/2015 - 11:16 Toimitus
Kuva: Flickr / Sami_Köykkä (CC)

Luonnonvarakeskuksen tutkija Petri Kilpeläinen kehitti väitöstyössään ympäristöystävällisen menetelmän ksylaanin uuttamiseksi koivun sahanpurusta. Ympäristöystävällisyys perustuu siihen, että liuotus tehdään kuuman veden avulla.

Kehitystyö on merkittävä muun muassa biojalostamoille, joissa tarvitaan tehokkaita ja ympäristöystävällisiä menetelmiä teollisuuden käyttämien yhdisteiden erottamiseen biomassoista. Yksi tällainen teollisuuden tarvitsema yhdiste on koivun ksylaani.

"Ksylaani on hemiselluloosayhdiste, ja hemiselluloosaa on ehdotettu käytettäväksi esimerkiksi elintarvikkeiden pakkauksissa, joissa tarvitaan happea läpäisemättömiä kalvoja ja pintoja", Kilpeläinen sanoo.

Ksylaanista valmistetaan myös ksylitolia eli koivusokeria. Sitä käytetään hampaiden reikiintymistä estävänä makeutusaineena.

Uuttomenetelmä perustuu korkeaan veden lämpötilaan

Kun veden lämpötila kohoaa, sen liuotusominaisuudet muuttuvat, ja puusta saadaan irrotettua enemmän yhdisteitä. Paineistetun kuumavesiuuton aikana puusta irtoaa myös orgaanisia happoja muun muassa etikkahappoa.

"Tämä johtaa puuta hajottavien reaktioiden nopeutumiseen ja sen ansiosta puusta saadaan irrotettua enemmän ksylaania", Kilpeläinen kertoo.

Paineistettu kuuma vesi tunkeutuu puuainekseen ja pilkkoo sekä liuottaa hemiselluloosan, joka kerätään talteen uuton aikana. Vesiliukoista hemiselluloosaa voidaan muokata pelkässä vedessä, eikä sen käsittelyyn tarvita orgaanisia liuottimia tai happoja ja emäksiä.

Åbo akademiin puu- ja paperikemian laboratorioon tehdyssä väitöstyössä ksylaanin uuttaminen onnistui laboratorio-olosuhteiden lisäksi isommassa pilottikokeessa. Tutkimuksesta saatua tietoa voidaan hyödyntää, kun menetelmää laajennetaan teollisuuden tarpeisiin.

Enemmän hyötyä sahanpurusta

Sahanpurusta on aikaisemmin valmistettu sellua, mutta nykyään se on vähäistä. Yleensä puru poltetaan sahoilla pääasiassa energian lähteenä.

"Sahanpurusta saatavaa hemiselluloosaa kannattaisi hyödyntää teollisuudessa", jatkaa Kilpeläinen. 

"Näin siitä saataisiin suurempi hyöty kuin energiakäytössä. Hemiselluloosan polttoarvo ei ole kovin hyvä, joten tämänkin vuoksi olisi tarpeen, että hemiselluloosa voitaisiin uuttaa pois sahanpurusta".

Juttu on käytännössä suoraan kopioituna Luonnnonvarakeskuksen tiedote.
Otsikkokuva: Flickr / Sami Köykkä (CC-lisenssillä)

Nanokulta lyö laudalta monta muuta materiaalia

Ti, 09/02/2014 - 11:25 Toimitus

Kultananohiukkaset ovat muutaman nanometrin kokoisia kulta-atomeista ja niihin kiinnittyneistä päällysteistä koostuvia rakenteita. Ne ovat eräs kuumimmista tutkimusaiheista nanoteknologiassa juuri nyt, ja niiden omituiseen olemukseen on perehtynyt myös tutkinut Tampereen teknillisen yliopiston Elena Heikkilä, jonka väitöstutkimus antaa uutta tietoa kultananohiukkasista sekä niiden vuorovaikutuksesta solujen kanssa.

Kultananohiukkaset ovat muutaman nanometrin kokoisia kulta-atomeista ja niihin kiinnittyneistä päällysteistä koostuvia rakenteita. Ne ovat eräs kuumimmista tutkimusaiheista nanoteknologiassa juuri nyt, ja niiden omituiseen olemukseen on perehtynyt myös tutkinut Tampereen teknillisen yliopiston <strong>Elena Heikkilä</strong>, jonka väitöstutkimus antaa uutta tietoa kultananohiukkasista sekä niiden vuorovaikutuksesta solujen kanssa. Heikkilä työskentelee tutkijana TTY:n fysiikan laitoksella materiaali- ja molekyylimallinnuksen tutkimusryhmässä.

Tavallisessa muodossan kulta ei ole erityisen aktiivinen aine, mutta sen ominaisuudet muuttuvat nanokoossa. Nanokullan kemialliset, katalyyttiset ja absorptio-ominaisuudet ovat ainutlaatuisia verrattuna moniin muihin alkuaineisiin. Tästä johtuen nanokultaa voidaan käyttää muun muassa lääkkeissä ja syöpähoidossa sekä lääketieteelliseen kuvantamiseen. 

"Kultananohiukkaset esimerkiksi absorboivat voimakkaasti säteilyä infrapuna-alueella",  kertoo Elena Heikkilä. "Jos ne kiinnitetään syöpäsoluihin, niitä voidaan kuumentaa laserilla, jolloin syöpäsolut tuhoutuvat."

Heikkilä on mallintanut väitöstyössään kultananohiukkasia molekyylidynamiikan simulaatioilla. 

"Mahdollisten terveyshaittojen vuoksi nanohiukkasten solutason vaikutusten kartoittaminen on tärkeää. Kun ymmärrys siitä kasvaa, voidaan nanomateriaaleja käyttää turvallisesti esimerkiksi lääketieteellisten innovaatioden kehittämisessä."

Erilaisia nanomateriaaleja käytetään jo yleisesti monenlaisissa arkipäiväisissä sovelluksissa, kuten elintarvikepakkauksissa, kosmetiikassa, maaleissa ja puhdistusaineissa. Siksi myös nanomateriaalien turvallisuus puhuttaa, sillä niiden haittoja ei tunneta vielä hyvin. Nanohiukkaset pääsevät tunkeutumaan pienen kokonsa ansiosta ihmisen elimistöön ihon, keuhkojen ja ruuansulatuselimistön kautta. Elimistöön päästessään ne kulkeutuvat kaikkialle kudoksiin ja sisäelimiin. On osoittautunut, että ainakin osa nanohiukkaista voi olla hyvinkin haitallisia. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu, että nanohiukkaset voivat aiheuttaa muun muassa solukuolemia, ja ne on yhdistetty moniin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin.

Väitöskirjassaan Heikkilä esittää tulostensa perusteella mahdollisen mekanismin nanohiukkasten kulkeutumiselle soluihin ja selittää tekijöitä, jotka ovat solukalvojen toiminnan häiriintymisen taustalla. Tutkimuksesta käy muun muassa ilmi, että positiivisesti varatut nanohiukkaset ovat potentiaalisesti haitallisempia kuin negatiivisesti varatut, ja että sähköstaattiset voimat ovat tärkeässä osassa siinä, miten nanohiukkaset käyttäytyvät biologisessa ympäristössä. 

Artikkeli on käytännössä suoraan Tampereen teknillisen yliopiston 2.9. julkaistu tiedote.

Aurinkosähköä pilvienkin alla

Ma, 10/28/2013 - 14:47 Jari Mäkinen
Aurinkopaneelia

Yleisen harhaluulon mukaan aurinkopaneeli ei tuota sähköä pilvisenä päivänä. Todellisuudessa paneelit kehräävät virtaa myös pimeinä päivinä, vaikkakin luonnollisesti sitä vähemmän, mitä vähemmän on valoa. Suorassa auringonpaisteessa teho on paljon suurempi kuin harmaana marraskuun sadepäivänä, jolloin sähköä ei tule kuin nimeksi.

Yksi tapa parantaa aurinkopaneelin tuottamaa hyötysuhdetta on tehdä parempia aurinkopaneeleita, mutta myös koko systeemiä optimoimalla saadaan aikaan olennaista parannusta. Tampereen teknillisen yliopiston diplomi-insinööri Anssi Mäki on tutkinut väitöskirjassaan ns. osittaisvarjostusten vaikutusta aurinkosähkögeneraattorien toimintaan ja työn tuloksena hän on kehittänyt menetelmän, jolla pilvisuuden tai varjostuksen johdosta syntyvä tehohävikki on aiempaa pienempi.

Pelkkä aurinkopaneeli sinällään ei sovellu normaaliin sähköntuotantoon, vaan se vaatii tuekseen koko joukon elektroniikkaa. Siksi koko sähköä tutottavaa kokonaisuutta kutsutaan aurinkosähkögeneraattoriksi, missä aurinkopaneelit ovat vain yksi, tosin tärkeä osa.

Jokaiselle aurinkopaneelille voidaan määrittää niin sanottu ominaiskäyrä, joka kertoo millä virran ja jännitteen arvoilla paneeli voi toimia. Oikosulkuvirta on paneelin tuottama enimmäisvirta, kun paneelin navat on kytketty oikosulkuun. Tyhjäkäyntijännite on paneelin suurin jännite, joka saadaan silloin, kun paneeliin ei ole kytketty kuormaa.

Maksimitehopiste, eli toimintapiste, on paneelin sellainen virran ja jännitteen arvo, joilla saavutetaan suurin ulostuloteho kulloisissakin käyttöolosuhteissa. Näitä pisteitä voi olla useita, tosin käytännössä niitä on vaikea saavuttaa, koska valaistusolosuhteet vaihtelevat. Lisäksi kirkkaalla auringonpaisteella paneelin lämpötila nousee, jolloin erinomaisesta valaistusolosuhteista huolimatta paneelin tuottama teho on pienempi. Elektroniikka ohjaa paneelin toimintaa näiden arvojen mukaisesti ja pyrkii koko ajan optimoimaan tuotetun sähkötehon.

Kun esimerkiksi rakennus tai pilvi varjostaa osaa aurinkosähkögeneraattorin aurinkopaneeleista, eivät paneelit toimi optimaalisesti. Tämä aiheuttaa järjestelmään häviöitä, eikä kaikkea mahdollista sähköenergiaa saada tuotettua. Osittaisesta varjostuksesta aiheutuu tyypillisesti myös tilanne, jossa generaattorien tehokäyrällä on useita paikallisia maksimipisteitä.

"Vaikka tällaiset osittaisvarjostukset tyypillisesti aiheuttavat useita paikallisia tehomaksimeja, aina näin ei kuitenkaan ole, toteaa Anssi Mäki. "Silloin kun maksimeja on useita, generaattori ei yleensä ole suurimman tehon toimintapisteessä eli tehokäyrän globaalissa maksimissa. Tällöin osa saatavilla olevasta sähköenergiasta menetetään".

Mäki esitteleekin väitöskirjassaan menetelmän, jonka avulla osittaisvarjostustilanne voidaan tunnistaa. Toimintapiste voidaan siirtää globaaliin maksimiin, mikäli generaattori ei siinä jo ennestään toimi. Menetelmän avulla generaattorin tehokäyrää ei tarvitse käydä kokonaan läpi, kuten monissa aikaisemmissa menetelmissä tehdään. Tällöin generaattori toimii aiempaa tehokkaammin ja siitä saadaan enemmän tehoa hankalissa valaistusolosuhteissa.

Menetelmästä on patenttihakemukset vireillä Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Kiinassa.

Mäki esittelee väitöskirjassaan myös osittaisvarjostusten vaikutuksia sekä sähköiseltä että fyysiseltä rakenteeltaan erilaisissa aurinkosähkögeneraattoreissa. Tulokset osoittavat, että aurinkopaneelien sarjaankytkentöjen tulisi olla sekä fyysisesti että sähköisesti mahdollisimman lyhyitä, jotta tehohäviöt voitaisiin minimoida.

"On tärkeää huomata, että aurinkosähköjärjestelmän tehokkuutta ja kokonaishyötysuhdetta tulee parantaa muutenkin kuin vain aurinkokennojen hyötysuhdetta nostamalla", jatkaa Mäki. "Väärillä ratkaisuilla järjestelmän osien suunnittelussa saatetaan helposti menettää suurin panoksin saavutettu kennojen hyötysuhteen nousu."

Suomessa aurinkosähköllä voisi olla paljon nykyistä suurempi osuus, sillä kun valaistuksen määrää lasketaan vuositasolla, on Suomessa auringonvaloa tarjolla hyvin paljon kesän valoisten öiden ansiosta. Nykytekniikalla aurinkopaneelit tuottavat sähkö jopa juhannusyön olosuhteissa, tosin varsin vähän. Etenkin kesämökkien energiantarpeesta valtaosa voitaisiin hoitaa sähkö- ja tuuligeneraattorein.

Anssi Mäen sähkötekniikan alaan kuuluva väitöskirja Effects of Partial Shading Conditions on Maximum Power Points and Mismatch Losses in Silicon-Based Photovoltaic Power Generators ("Osittaisvarjostusten vaikutukset piihin perustuvien aurinkosähkögeneraattorien maksimitehopisteisiin ja yhteensopimattomuushäviöihin") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa perjantaina 1.11.2013 kello 12 alkaen Sähkötalon salissa S2. Mäen tutkimuksesta kerrottiin TTY:n tiedotteessa 28.10.