Teksti Ari Rytsy, kuva Aalto yliopisto
Aalto-yliopistossa kehitetty biohajoava nanomuste mahdollistaa kaasuantureiden painamisen suoraan paperille tai pakkausmuoviin. Kaksiulotteista MXeeni-materiaalia ja tekoälyä yhdistävä keksintö tekee tarkan kaasumittauksen mahdolliseksi vain murto-osalla nykyisestä energiankulutuksesta.
Kaasujen mittaaminen on perinteisesti pakottanut vaikeaan valintaan hinnan, koon ja tarkkuuden välillä. Teollisuudessa ja laboratorioissa käytetään kalliita ja sähkösyöppöjä laitteita, kun taas perustason kevyissä antureissa tarkkuudesta ja häiriönsietokyvystä on usein jouduttu tinkimään.
Aalto-yliopiston tutkijat ovat löytäneet keinon kiertää nämä perinteiset pullonkaulat. Yksi litra heidän kehittämäänsä biohajoavaa nanomustetta riittää miljoonaan pieneen anturiin, jotka voidaan painaa suoraan paperille tai pakkausmuoville. Teollisessa rullalta rullalle -painatuksessa jo pelkälle A4-arkin kokoiselle alalle mahtuu 200 toimivaa sensoria.
”MXeeni johtaa sähköä metallien lailla ja sekoittuu luonnostaan veteen, mikä tekee siitä ihanteellisen pohjan teolliselle musteelle.”
Business Finlandin tukema innovaatioprojekti kulkee nimellä Sustainable Smart Gas Sensor. Se tuo kaasujen tarkan mittaamisen kohteisiin, joissa se on aiemmin ollut taloudellisesti tai teknisesti mahdotonta.
Perinteisissä ilmaisimissa laitteiden oheiskomponentit vaativat vielä pienen määrän elektroniikkaa, mutta itse anturielementti on täysin myrkytön ja biohajoava. Pakkauksissa päästään vielä pidemmälle: langattomasti etäluettava anturi toimii kokonaan ilman paristoja tai piirilevyjä, jolloin sitä sisältävä pakkaus voidaan lajitella sellaisenaan suoraan normaaliin kartonki- tai muovikeräykseen.
Kaksiulotteinen nanomateriaali takaa tarkkuuden
Innovaation ytimessä on patentoitu nanomusteen resepti. Yksi sen avainkomponenteista on MXeeni – kaksiulotteinen nanomateriaali, joka grafeenin tavoin koostuu vain muutaman atomin paksuisista kerroksista. MXeeni johtaa sähköä metallien lailla ja sekoittuu luonnostaan veteen, mikä tekee siitä ihanteellisen pohjan teolliselle musteelle.
Kun ilmassa leijuvat kaasumolekyylit tarttuvat painettuun anturipintaan, sen sähkönjohtavuus muuttuu välittömästi. Tutkija Zhongpeng Lyun mukaan musteen suurin etu perinteisiin halpoihin sensoreihin nähden on poikkeuksellinen selektiivisyys.
”Tavalliset anturit kärsivät herkästi häiriökaasuista. Ne saattavat reagoida useisiin samankaltaisiin kemiallisiin yhdisteisiin, mikä johtaa vääriin hälytyksiin. Meidän ratkaisussamme pintakemia on viritetty niin, että anturi reagoi luotettavasti vain haluttuun kaasuun, vaikka ilmassa leijuisi muita yhdisteitä.”
Tekoäly tulkitsee kaasujen sormenjälkiä
Pelkkä muste ei kuitenkaan riitä, vaan sen pariksi tarvitaan tekoäly. Alustalle painetaan rinnakkain useita koostumukseltaan hieman toisistaan poikkeavia anturiraitoja, jotka toimivat keinotekoisen nenän tavoin.
Kun kaasu osuu pintaan, jokainen raita reagoi eri tavalla ja muodostaa kaasulle oman sormenjälkensä. Koneoppimismalli analysoi tämän profiilin sekunnin murto-osassa ja tunnistaa sekä kaasun että sen tarkan pitoisuuden.
Samaa anturipohjaa voidaan hyödyntää lukuisissa eri kohteissa ilman laitteiston uudelleensuunnittelua. Projektin innovaatiokaupallistaja Antti Jäänvirta pitää tätä teknologian ratkaisevana etuna.
”Meidän ei tarvitse kehittää uutta mustetta jokaista erillistä kaasua varten, vaan voimme rakentaa kaiken saman perustan päälle. Teknologiamme toimii joustavana alustana, mikä pitää kehityskulut kurissa ja nopeuttaa räätälöintiä uusiin käyttökohteisiin.”
Ruokahävikkiä ja vetyvuotoja vastaan
Uudelle teknologialle löytyy suoria sovelluksia maataloudesta ja energiasektorilta. Viljasiiloissa anturit valvovat suojaprosessia toteamalla, milloin viljan oma hiilidioksidintuotanto on kohonnut tasolle, joka tappaa pieneliöt ja pysäyttää homehtumisen – ja että siilo pysyy täysin tiiviinä. Vetytaloudessa saumoihin liimattavat ohuet anturitarrat voivat havaita vaaralliset mikrovuodot reaaliajassa.
”Ratkaisu voisi mullistaa kauppojen arjen.”
”Pidemmällä aikavälillä anturi voidaan yhdistää passiiviseen RFID- tai NFC-tunnisteeseen. Tällöin se ei tarvitse omaa virtalähdettä, vaan herää eloon langattomasti lukijalaitteen kentässä matkakortin tavoin. Ratkaisu voisi mullistaa kauppojen arjen korvaamalla karkeat parasta ennen -päiväykset anturilla, joka kertoo lihan tai kalan todellisen tuoreuden tai mahdollisen kontaminaation suoraan pakkauksesta”, kertoo tutkija Hossein Hosseini.
Hanke eteni vuosina 2025–2026 Business Finlandin Research to Business -rahoituksella, jonka turvin musteen toimivuus varmistettiin teollisessa massatuotannossa. Seuraavaksi vuorossa on spin-off-yrityksen käynnistäminen ja teknologian kaupallistaminen.
Sustainable Smart Gas Sensor
Kehittäjä: Aalto-yliopiston tutkimusryhmä
Avainhenkilöt: Antti Jäänvirta (innovaatiokaupallistaja), Zhongpeng Lyu (TkT, tutkija, materiaalikemia) Hossein Hosseini (TkT, tutkija, sensorifysiikka)
Teknologia: Patentoitu biohajoava nanomuste (pohjautuu mm. MXeeni-materiaaliin) ja kevyt koneoppiminen
Rahoitus: Business Finland (Research to Business 2025–2026)
Seuraava vaihe: Spin-off-yrityksen perustaminen ja teknologian kaupallistaminen
