Teksti Sisko Loikkanen, kuvat iStock
Kun tutkijat 38 vuotta sitten löysivät hiiliatomeista muodostuneen pikku pallon, se oli Nobel-palkinnon paikka. Hiilestä onkin sukeutunut monipuolisia muotoja, joista odotetaan kaupallisia jättipotteja.
Ennen oppikirjoissa kerrottiin, että alkuainehiiltä on kiteisenä ja amorfisena ja hiili esiintyy luonnossa timanttina ja grafiittina.
Uudet tutkimukset käynnistyivät 1980-luvulla. Ne paljastivat, että hiilellä on alkuaineena muitakin esiintymismuotoja eli allotrooppeja. Ensimmäinen niistä, pallohiili fullereeni, julkaistiin Nature-lehdessä vuonna 1985. Seuraavaksi esiin putkahtivat hiilen nanoputket ja grafeeni.
Hiilen kemia kyllä tiedettiin monipuoliseksi. Yllätys oli se, että erilaisia sidoksia käyttäen pelkkä hiili pystyy muovautumaan palloiksi, putkiksi ja atomin paksuisiksi kaksiulotteisiksi tasoiksi.
Oppikirjat oli kirjoitettava uusiksi. Kaikkea ei tiedetä vieläkään, joten tutkimusmatka hiileen jatkuu.
Kovaa ja pehmeää hiiltä
Timantit ovat syntyneet maapallon historian aikana maan uumenissa korkeassa kuumuudessa ja paineessa. Timantissa on kuutiollinen kiderakenne, jossa hiiliatomit ovat vahvoin sidoksin tetraedrimäisesti kiinni neljässä muussa hiilessä.
Hiotun timantin kidepinnat kimaltelevat valossa kauniisti. Nykyisin timantteja osataan tehdä myös keinotekoisesti.
Timantista tunnetaan myös harvinainen, tavallista kovempi lonsdaleiitti, jossa kiderakenne on heksagonaalinen. Lonsdaleiittia on löydetty meteoriittien törmäyskraattereista. Syksyllä 2022 sitä havaittiin myös Afrikasta löytyneestä meteoriitista.
Timantti on kovaa ja läpinäkyvää. Sen sijaan grafiitti on mustaa ja pehmeää. Grafiitti sisältää kerroksittain hiiliverkkoja, jotka ovat löyhästi kiinni toisissaan ja voivat liukua toistensa ohi. Kanaverkkoa muistuttavassa rakenteessa hiili on asettunut kuusikulmioiksi.
”Jopa ruohosta, suklaasta ja vaikka torakan jaloista voidaan tehdä grafeenia.”
Jalkapallomolekyyli fullereeni
Vuonna 1985 brittiläinen Harold Kroto ja amerikkalaiset Richard Smalley ja Robert Curl tekivät kiehtovan laboratoriokokeen Rice-yliopistossa Yhdysvalloissa.
Kolmikko jäljitteli kuumien hiilipitoisten jättiläistähtien olosuhteita ja löysi reaktioseoksesta 60 hiiliatomista koostuvan pallosen.
He nimesivät pallon buckminsterfullereeniksi. Hiilipalloa alettiin pian kutsua lyhyesti fullereeniksi. Kun sen jalkapalloa muistuttava rakenne muutaman vuoden kuluttua varmistettiin, löytäjäkolmikko palkittiin kemian Nobelilla vuonna 1996.
Fullereenimolekyyli on symmetrinen ja ontto pallo, jonka pinnalla hiili on asettunut viisi- ja kuusikulmioiksi. Fullereeni ihastutti tutkijoita yllättävällä ulkomuodollaan.
Pian sitä löydettiin noesta, maaperästä ja jopa kemistien päivittäin käyttämästä bunsenliekistä, jonka kuumuudessa se tosin hajoaa nopeasti. Oli hämmästyttävää, kuinka fullereeni oli onnistunut piileskelemään kemistien lähistöllä paljastumatta jo aiemmin.
Fullereenista on valmistettu muunnoksia ja johdannaisia. Japanissa sitä käytetään antioksidanttina ikääntymistä hidastavissa voiteissa.
”Tutkijat ovat keksineet hienoja käyttökohteita, kuten yksimolekyylimagneetti, jossa fullereeniin on liitetty lantaania, mutta nämä eivät ole vielä kaupallisella asteella”, professori Peter Liljeroth Aalto-yliopistosta kertoo.
Terästä lujemmat nanoputket
Vuonna 1991 julkaistiin ensimmäiset hiilen nanoputket, joissa atominpaksuinen hiiliverkko on kääriytynyt ontoksi putkeksi. Putken seinässä hiili on kuusikulmioina, ja putket voivat olla yksi-, kaksi- tai moniseinäisiä.
Nanoputket ovat terästä lujempaa ainetta ja kelpaavat materiaalien vahvikkeeksi. Suomessa niitä on käytetty pinnoitteena nanosuksien pohjassa.
Nanoputket voivat olla joko johtavia tai puolijohtavia.
Johtavat nanoputket kiinnostavat elektroniikka- ja puolijohdeteollisuutta. Niitä lisätään grafiitin joukkoon parantamaan johtavuutta litium-ioniakuissa.
Hiiliverkko grafeeni
Manchesterin yliopiston professori Andre Geim keksi vuonna 2004 tutkijakollegansa Konstantin Novoselovin kanssa irrotella teipillä kerroksia grafiitista. Ja kas, jäljelle jäi vain yhden atomikerroksen paksuista hiiliverkkoa grafeenia. Kaksikko palkittiin grafeenitutkimuksista fysiikan Nobelilla vuonna 2010.
Grafeenissa hiili on samalla tavoin sitoutunut kuin nanoputkissa ja muodostaa kuusikulmioita, mutta rakenne on tasomainen. Hiiliverkkoon kohdistuu suuria odotuksia. Se voisi lisätä johtavuutta paristoissa, akuissa ja muovikomposiiteissa.
”Grafeeni on stabiilia ja erittäin hyvä johde. Sillä saadaan kuparia korkeampia virrantiheyksiä, ja siitä voitaisiin rakentaa pieniä johteita mikroprosessoreihin”, Liljeroth luonnehtii.
Grafeenilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Se on maailman kestävimpiä aineita. Sitä on jo käytetty sähköä johtavissa muoveissa.
”Mikään kaasu ei kulje sen läpi. Grafeeniin voidaan kuitenkin tehdä pieniä reikiä, jolloin siitä voitaisiin tehdä läpäiseviä membraaneja tai läpinäkyviä, johtavia kalvoja. Puolijohde indiumtinaoksidi voitaisiin kenties korvata grafeenin ohutkalvolla.”
Grafeenia on helppo valmistaa laboratoriossa kemiallisella kaasufaasipinnoituksella.
”Jopa ruohosta, suklaasta ja vaikka torakan jaloista voidaan tehdä grafeenia”, Liljeroth kertoo.
Grafeenin teollinen valmistus on yhä haasteellista ja kallistakin, mikä saattaa hidastaa sovellusten kaupallistamista.
EU:ssa käynnistyi vuonna 2013 grafeenitutkimusta edistävä Graphene Flagship -ohjelma. Manchesterin yliopiston yhteydessä toimii pelkästään grafeeniin keskittyvä tutkimuslaitos.
Bifenyleeni paljastuu
Toukokuussa 2021 Liljerothin oma Aalto-yliopiston tutkimusryhmä julkaisi Marburgin yliopiston tutkijoiden kanssa bifenyleenin. Atominpaksuisessa hiiliverkossa hiili muodostaa tasossa neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioita.
”Bifenyleeni valmistettiin kultapinnalle, joka ei ole kovin reaktiivista. Siksi siihen syntyy juuri tällainen rakenne. Jos pintana olisi ollut reaktiivisempaa kuparia, tuloksena olisi ollut grafeenia.”
Bifenyleeniä saatettaisiin käyttää litium-ioniakuissa.
”Se voisi korvata nykyisissä akuissa olevaa grafiittia. Ennen kuin päästään kehittämään sovelluksia, bifenyleeniä pitää oppia valmistamaan suuria määriä.”
”Japanissa fullereenia käytetään antioksidanttina ryppyvoiteissa.”
Nyt tarvitaan hyviä tietokonemalleja
Uusia hiilen allotrooppeja julkaistaan ahkerasti, kuten viime kesänä kaksiulotteinen polymeerinen fullereenirakenne, joulukuussa 2022 pitkän kantaman järjestyneeksi huokoiseksi hiileksi kutsuttu rakenne ja tammikuussa 2023 uusi kaksiulotteinen fullereenin polymeerirakenne graphullereeni.
”Tietokonemallien avulla on helppo ensin suunnitella ja sitten tutkia, ovatko rakenteet stabiileja. Silti stabiilisuus ei vielä paljasta, voidaanko kyseinen rakenne valmistaa helposti laboratoriossa”, Liljeroth korostaa.
Yksi tutkijoita kiehtova, ominaisuuksiltaan kiinnostava ja teoreettisesti tietokoneella suunniteltu hiilirakenne on schwartziitti, jonka kaarevuus on poikkeuksellisesti negatiivista. Tällaista ainetta on tiettävästi onnistuttu jo valmistamaan huokoisen piisilikaatin, zeoliitin huokosissa.
Suomalainen yhtiö on nanoputkien mestari
Tasalaatuisten nanoputkien valmistus onnistuu nyt teollisesti. Fullereenin ja nanoputken yhdistelmästä keksittiin nanonuppu. Nupussa fullereeni kiinnittyy kemiallisella sidoksella näppylän mallisena ulokkeena nanoputken seinään.
Aalto-yliopiston nanonuppujen keksinnöstä syntyi Canatu-yhtiö. Sen ydinaluetta on hiilen allotrooppien syvä osaaminen ja soveltaminen.
Yhtiö on patentoinut kuivapainoprosessin, joka tuottaa tavallista virheettömämpiä ja puhtaampia hiilinanoputkia. Canatu valmistaa läpinäkyviä, joustavia ja muotoiltavia kalvoja, jotka johtavat sähköä ja lämpöä. Autoteollisuus käyttää niitä kuljettajaa avustavien ADAS-järjestelmien optisten pintojen lämmityselementteinä ja 3D-kosketusantureina.
Yritys kehittää nanohiilestä myös äärimmäisen ohuita hiukkassuodattimia puolijohdeteollisuudelle.
”Tutkimme yhteistyössä Aalto-yliopiston kanssa nanohiilen käyttöä pikadiagnostiikkaan. Pyrimme mittaamaan opioidipitoisuutta verestä, mutta sähkökemiallinen menetelmä kelpaa muihinkin lääkediagnostiikan ja muiden sovellusten mittauksiin”, Canatun teknologiajohtaja Ilkka Varjos kertoo.
Hiili
- Vuonna 1984 tunnettiin
-
• Amorfinen hiili, jota on kivihiilessä, hiilimustassa ja noessa
• Kiteinen hiilitimantti
• Grafiitti -
Nyt 2023 tiedetään
-
• Hiilellä on lukuisia esiintymismuotoja
• Muotoja ovat fullereeni, hiilen nanoputket ja nanonuput, grafeeni, bifenyleeni
• Uusia muotoja löydetään yhä lisää
