1/2016

Valo tuottaa liikettä

TTY:llä on alettu kehittää valolla ohjattavia materiaaleja. Niiden pituutta ja paksuutta muuttamalla on tarkoitus tuottaa mekaanista liikettä, jonka avulla voi valmistaa eräänlaisia mikrorobotteja sekä säädettäviä optisia materiaaleja. Jos tutkijat pääsevät maaliinsa, uutta materiaalikonseptia voidaan tulevaisuudessa hyödyntää monilla eri aloilla ja yli tiederajojen.

Arri Priimägi

 

– Olen vannoutunut perustutkimuksen kannattaja, ja voimakkain minua eteenpäin vievä voima on tieteellinen uteliaisuus. Sitä tulisi tukea yliopistomaailmassa, koska se poikii teknologisia edistysaskeleita, sanoo akatemiatutkija, Assistant Professor Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laitokselta.

 

Ilman valoa ei olisi valokuituyhteyksien mahdollistamaa nopeaa internetiä, viihde-elektroniikkaa eikä monia lääketieteellisiä työkaluja. Myös LEDien tapaiset uudet valaisimet sekä aurinkokennot ovat keskeisiä valoon perustuvia teknologioita, joiden merkitys kasvaa entisestään tulevina vuosina.

– Viime vuosi oli nimetty kansainväliseksi valon vuodeksi ja teknologiagurut ovat ennustaneet, että 2000-luvusta tulee valon vuosisata, jolloin valoon perustuvat teknologiat mullistavat nykyisen elämäntapamme, sanoo akatemiatutkija, Assistant Professor Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laitokselta.

Fotoniikka eli valon tiede tutkii sitä, miten valoa voidaan tuottaa, manipuloida ja mitata. Fotoniikkaa kutsutaan käytännössä usein myös optiikaksi.

Valo muuttaa materiaalin ominaisuuksia

Priimägi vetää uutta, viisivuotista Tunable Photonic Structures via Photomechanical Actuation -hanketta, johon hän sai 1,5 miljoonan euron rahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta.

Priimägin kemisteistä ja fyysikoista koostuva tutkimusryhmä tutkii ja kehittää valolla ohjattavia toiminnallisia materiaaleja, joiden pituutta ja paksuutta muuttamalla voidaan esimerkiksi tuottaa mekaanista liikettä.

Toiminnallisten materiaalien joitakin ominaisuuksia voi muuttaa tietyn ulkoisen ärsykkeen avulla. Tässä tapauksessa ärsykkeenä toimii valo.

– Valo on hyvä ärsyke toiminnallisten materiaalien suunnitteluun, koska sitä on helposti saatavilla ja se on halpaa sekä ympäristöystävällistä. Materiaaleja on mahdollista etäohjata vaikka laserilla tai LEDillä. Valon ominaisuuksia, kuten väriä, voimakkuutta, polarisaatiota tai valopulssin kestoa, pystytään kontrolloimaan hyvin tarkasti. Valolla siis pystyy tekemään monenlaisia asioita, joita muilla ärsykkeillä ei voi tehdä, Priimägi kertoo.

Tavoitteena on kehittää tekniikoita ja menetelmiä, joilla pystytään hallitsemaan valo-ohjattuja pituus- ja paksuusmuutoksia ohutkalvoissa.

Pienissä molekyylikytkimissä sen salaisuus

KUKA: Arri Priimägi, (s. 1980, Tallinna)

Tärkeimmät tutkinnot
  • tekniikan tohtori, Teknillinen korkeakoulu
  • teknillisen fysiikan laitos, 2009
  • diplomi-insinööri, Tampereen teknillinen
  • yliopisto, fysiikan laitos, 2004

Tärkeimmät virat ja tehtävät

  • assistant professor, akatemiatutkija, Tampereen teknillinen yliopisto, kemian ja biotekniikan laitos, 09/2014–
  • International Research Fellow, Politecnico di Milano, Italia, 12/2013–08/2014
  • tutkija, Aalto-yliopisto, 01/2013–11/2013
  • post doc -tutkija, Chemical Resources Laboratory, Tokyo Institute of Technology, Japani, 12/2010–12/2012

OHO! Vapaa-aikanaan Priimägi soittelee bassoa poprock-yhtyeessä Vaihde. –Ai et ole ikinä kuullutkaan Vaihteesta? No avaapa Spotify ja kuuntele, tai tule keikoille!

 

– Valo-ohjattavuuden saavat aikaan molekyylikytkimet. Ne ovat pituudeltaan vain noin yhden nanometrin mittaisia molekyylejä, joita mahtuu yhteen ihmisen hiukseen vierekkäin noin 50 000 kappaletta.

– Valon avulla pystymme virittämään molekyylit siten, että ne muuttavat muotoaan, jolloin myös niiden pituus muuttuu.

Molekyylikytkimet ovat mielenkiintoisia vempaimia, sillä pienestä koostaan huolimatta niillä voi saada aikaan suuria asioita. Kaikki perustuu joukkovoimaan.

– Sen sijaan, että hyödyntäisimme yksittäisiä kytkimiä, me laitamme niitä yhteen miljoonia tai miljardeja kappaleita. Ne toimivat yhdessä vahvistaen sitä ominaisuutta, jota halutaan tehostaa. Kun nanoskaalan ilmiötä vahvistetaan tällä tavoin, sen avulla voidaan saada aikaan kaikenlaisia makroskaalan mekaanisia liikkeitä – eräänlaisia mikrorobotteja.

Valo-ohjatut mikrorobotit hommiin

Tutkittaviin materiaaleihin voidaan Priimägin mukaan synnyttää valolla suunnilleen samansuuruisia voimia kuin mitä ihmisen lihas tuottaa supistuessaan.

– Valolla tuotettuja liikkeitä on alustavissa kokeissa käytetty muun muassa pienten kappaleiden siirtelyyn paikasta toiseen. Tällöin liikuteltava kappale on ollut kymmeniä kertoja painavampi kuin sitä liikuttava mikrorobotti. Tällaista robotiikkaa voisi mahdollisesti käyttää esimerkiksi pienten kappaleiden hyvin tarkkaan sijoitteluun ja asemointiin valo-ohjatusti, Priimägi selittää.

– Hurjemmissa visioissa pieni valo-ohjattava mikrorobotti voisi kontrolloidusti liikkua pinnalla paikasta toiseen ja näin välittää tietoa tai siirtää materiaalia vaikkapa mikropiirin eri osien välillä.

Sovelluksia poikkitieteellisellä yhteistyöllä

Koska kyseessä on perustutkimus, jossa ollaan pitkälti tekemisissä vasta hypoteesien kanssa, konkreettisia käytännön sovelluksia ei Priimägin mukaan voi vielä luetella.

– Se, mitä tavoittelemme, on eräänlainen tulevaisuuden teknologia-alusta. Siis sellainen materiaalikonsepti, jota voisi hyödyntää monenlaisissa käyttökohteissa yli tiederajojen. Siksi sovellusten löytämiseksi tarvitaankin poikkitieteellistä yhteistyötä sekä TTY:n sisällä että kansainvälisesti, Priimägi sanoo.

Valoon perustuvien teknologioiden tutkimus kulkee käsi kädessä materiaalitutkimuksen kanssa, ja TTY on vahva kummassakin. TTY:ltä löytyy vahvaa osaamista myös biotekniikassa.

Herkempiä sensoreita ja orgaanista elektroniikkaa

Valo-ohjattuja materiaaleja voisi mahdollisesti hyödyntää esimerkiksi biotekniikan alalla erilaisten molekyylien sekä virusten ja bakteerien tehokkaampaan havaitsemiseen tutkittavista näytteistä. Priimägin tutkima tekniikka on periaatteessa sovellettavissa mille tahansa kemikaaleille.

– Orgaanisen elektroniikan alalla aiomme tutkia voiko johtavuuden tai kapasitanssin tapaisia suureita kontrolloida valon avulla. Jos onnistumme, linkki edistyneempiin sovelluksiin voi olla olemassa.

– Eri materiaalit vuorovaikuttavat valon kanssa eri tavoin, ja eri molekyylejä pystyy havaitsemaan tehokkaammin erivärisillä valonlähteillä. Pienikokoiselle laserille, jossa laservalon väriä voi säätää, voisi olla käyttöä sensorisovelluksissa. Sellaisen kehittäminen on yksi projektin tavoitteista.

Valo-ohjauksella on myös mahdollista kontrolloida pinnan kitkaominaisuuksia ja vettymistä sekä valmistaa esimerkiksi ulkoisesti ohjattuja itsepuhdistuvia pintoja.

– Teollisissa mittauksissa valoon perustuvia teknologioita pystyy käyttämään etäohjatusti. Siksi niitä voi käyttää paikoissa, joissa esimerkiksi sähköinen ohjaus ei ole mahdollista.

Auringonvalosta liike-energiaa?

Laser

 

Priimägin laboratorion lasereiden avulla voi kuvioida polymeeripintoja ja siten valmistaa esimerkiksi erilaisia hilarakenteita. Näitä rakenteita voi hyödyntää nanomateriaalien valmistuksessa sekä vaikkapa lasereiden ominaisuuksien ja aurinkokennojen tehokkuuden parantamisessa.

 

Huikeimmissa alan visioissa väläytellään auringonvalon valjastamista liike-energiaksi, jota voisi hyödyntää erilaisissa energia-alan teknologisissa sovelluksissa.

– Se on asia, jota kannattaa tutkia ja tutkitaankin muualla. Mutta matka siihen, että auringonvalolla tuotettu liike oikeasti valjastettaisiin johonkin hyödylliseen käyttöön tutkimissamme materiaaleissa, on vielä pitkä. Uskon, että mahdolliset sovellukset löytyvät nopeammin mikromaailmasta, ja että valo-ohjaus toteutetaan lasereilla tai LEDeillä, Priimägi pohtii.

– Meidän pitää yhdistää kemiaa ja fysiikkaa, jotta osaamme sekä valmistaa nämä materiaalit että saattaa ne sellaiseen muotoon, että pystymme valjastamaan valoenergiaa liikkeen tuottamiseen. Pystymme tutkimaan näitä materiaaleja pitkälti olemassa olevilla laitteilla.

Aiheen valitsema

Arri Priimägin ura valo-ohjattavien materiaalien parissa alkoi kymmenen vuotta sitten. Hän tutki jo diplomityössään samantyyppisiä materiaaleja, mutta aivan eri perspektiivistä. Alan monet mahdollisuudet jaksavat kiehtoa tutkijaa.

– En sanoisi, että olen hakeutunut tähän tutkimukseen, vaan tämä aihe on valinnut minut, Priimägi kertoo.

– Mitä syvemmälle tutkimusaiheeseen uppoutuu, sitä useampia kasvoja se näyttää itsestään. Mutta kaiken ydin ovat ne pienet molekyylikytkimet – ne ovat pysyneet koko ajan. Ne ovat todella kiehtova asia.

Teksti: Leena Koskenlaakso
Kuvat: Mika Kanerva

 
Kerro kaverille
Laser paljastaa veden epäpuhtaudet
Laser paljastaa veden epäpuhtaudet
1/2016
Laser paljastaa veden epäpuhtaudet
Valoa strategiaan
Valoa strategiaan
1/2016
Valoa strategiaan
Ei ihan gravitaatioaaltoja, mutta valon nopeutta kumminkin
Ei ihan gravitaatioaaltoja, mutta valon nopeutta kumminkin
1/2016
Ei ihan gravitaatioaaltoja, mutta valon nopeutta kumminkin
Ennätyslasereita uusille aallonpituuksille
Ennätyslasereita uusille aallonpituuksille
1/2016
Ennätyslasereita uusille aallonpituuksille
Euroopan tiede- ja taideakatemia kutsuu
Euroopan tiede- ja taideakatemia kutsuu
1/2016
Euroopan tiede- ja taideakatemia kutsuu
Tunneäly yhdistää ihmiset, tekniikan ja talouden
Tunneäly yhdistää ihmiset, tekniikan ja talouden
1/2016
Tunneäly yhdistää ihmiset, tekniikan ja talouden
Anna aihe kandityöhön
Anna aihe kandityöhön
1/2016
Anna aihe kandityöhön
Lasten akatemiassa opitaan roboteista
Lasten akatemiassa opitaan roboteista
1/2016
Lasten akatemiassa opitaan roboteista
Uudet professorit esittäytyivät TTY-viikolla
Uudet professorit esittäytyivät TTY-viikolla
1/2016
Uudet professorit esittäytyivät TTY-viikolla

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi