Teksti Ari Rytsy, kuvat Liisa Takala
Hiilinanoputket eivät ole enää pelkkä tulevaisuuden lupaus, vaan kriittinen osa globaalia puolijohde- ja autoteollisuutta. Canatun johtama Carbon Age -hanke rakentaa Suomeen ekosysteemiä, joka vie nanoteknologian läpimurrot teolliseen mittakaavaan.
Canatun valinta Business Finlandin veturiyritykseksi käynnistää vuoteen 2029 ulottuvan Carbon Age -ohjelman. Sen tavoitteena on nostaa Suomi maailman kärkimaaksi hiili-nanoputkiin eli Carbon Nanotubeen, CNT:hen, pohjautuvassa teknologiassa.
Hanke on strategisesti merkittävä. Business Finland on myöntänyt Canatulle 10 miljoonaa euroa veturirahoitusta, minkä lisäksi yhteistyöverkostolle on varattu 20 miljoonan euron rahoituspotti.
Aalto-yliopiston tutkimuksesta vuonna 2004 alkunsa saaneen Canatun teknologiajohtaja Ilkka Varjoksen mukaan ohjelman ajoitus on optimaalinen. Kun komponentit kutistuvat nanometriluokkaan, perinteisten materiaalien ominaisuudet alkavat jarruttaa kehitystä.
”Suurempi murros on käsillä. Mooren lain jatkuminen edellyttää materiaalihyppyä, jossa hiilinanoputket ovat erittäin vahva vaihtoehto monella sektorilla”, Varjos arvioi.
Mooren laki on ennuste mikrosirujen tehon tuplaantumisesta kahden vuoden välein. Kehityksen jatkaminen vaatii hiilinanoputkien kaltaisia uusia ratkaisuja, sillä esimerkiksi pii on saavuttanut fyysiset rajansa.
Kuivadispergio ratkaisee tuotantohaasteet
Suurin este hiilinanoputkien teolliselle hyödyntämiselle ei ole ollut materiaali itsessään, vaan sellaisten prosessien puute, joilla hiilinanoputkista saadaan mahdollisimman puhtaita ja pitkiä. Tämä parantaa ratkaisevasti lopputuotteen suorituskykyä.
Perinteisesti hiilinanoputkia on yritetty prosessoida nestefaasin kautta, esimerkiksi liuottamalla niitä painomusteisiin. Prosessi vaatii ultraäänikäsittelyä ja pinta-aktiivisia lisäaineita, jotka rikkovat putkien herkkää rakennetta ja jättävät ne epäpuhtaiksi, mikä huonontaa merkittävästi ominaisuuksia, kuten sähkönjohtavuutta tai mekaanista kestävyyttä.
”Carbon Age -ohjelma on Canatulle strateginen työkalu teknologian levittämiseksi laajalle sovelluskentälle.”
”Canatu on ratkaissut tämän pullonkaulan patentoidulla Dry Deposition -prosessilla. Menetelmässä hiilinanoputket syntetisoidaan kaasufaasissa ja siirretään suoraan pinnalle ilman nestekäsittelyä. Tämä takaa, että putket pysyvät ehjinä ja puhtaina”, Varjos kuvailee.
Canatun kasvun veturina toimii puolijohdeteollisuuden siirtymä äärimmäiseen ultravioletti- eli Extreme Ultraviolet, EUV-litografiaan. Mikrosirujen valmistuksessa käytettävät maskit on suojattava epäpuhtauksilta erityisillä suojakalvoilla, joista käytetään englanninkielistä termiä pellicles.
Haasteena on, että EUV-valo absorboituu lähes kaikkeen aineeseen. Perinteiset piipohjaiset suojakalvot eivät kestä uusien, entistä tehokkaampien laitteiden äärimmäistä kuumuutta. Canatun hiilinanoputkikalvot sen sijaan läpäisevät valon lähes täydellisesti ja kestävät vaivatta olosuhteet, joissa pii murtuu.
Globaalit kumppanit ja kotimainen huippututkimus vauhdittavat kehitystä
Carbon Age -ohjelma on Canatulle strateginen työkalu teknologian levittämiseksi laajalle sovelluskentälle. Ohjelmaan on jo sitoutunut kymmenen kumppania, kuten globaali autoteollisuuden jätti DENSO.
Yritysten ohella ohjelmassa on mukana VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteinen puhdastilalaitos Micronova, joka on osa Suomen kansallista tutkimusinfrastruktuuria OtaNanoa. Micronovan keskeinen tavoite on mahdollistaa huippututkimus ja synnyttää samalla yhteiskunnallista vaikuttavuutta innovaatioiden, uuden liiketoiminnan ja osaamisen muodossa.
”Carbon Age -ohjelma on Canatulle strateginen työkalu teknologian levittämiseksi laajalle sovelluskentälle.”
VTT:n merkitys Carbon Age -ohjelmassa on keskeinen erityisesti hiilinanoputkipohjaisten mikroelektroniikan komponenttien valmistettavuuden kehittämisessä. Yhdessä Canatun kanssa VTT kehittää valmistusmenetelmiä ja suunnittelusääntöjä, jotka mahdollistavat uuden sukupolven CNT-komponenttien teollisen skaalautumisen ja integroituvuuden tuleviin siruarkkitehtuureihin.
VTT:n strategisista kumppanuuksista vastaava johtaja Tauno Vähä-Heikkilä kuvailee Micronovaa ainutlaatuiseksi ympäristöksi, jossa VTT:n tiloissa toimii tällä hetkellä noin 20 erikokoista yritystä alkuvaiheen startupeista suuriin toimijoihin.
”Yhteiskäyttöiset puhdastilat antavat esimerkiksi startupeille mahdollisuuden prototyyppien pilotointiin ja toiminnan skaalaukseen. Näin ne voivat varmistaa ratkaisujensa toimivuuden ennen massiivisia laiteinvestointeja”, Vähä-Heikkilä täsmentää.
Yritysten ohella ohjelmassa on mukana VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteinen puhdastilalaitos Micronova, joka on osa Suomen kansallista tutkimusinfrastruktuuria OtaNanoa. Micronovan keskeinen tavoite on mahdollistaa huippututkimus ja synnyttää samalla yhteiskunnallista vaikuttavuutta innovaatioiden, uuden liiketoiminnan ja osaamisen muodossa.
VTT:n merkitys Carbon Age -ohjelmassa on keskeinen erityisesti hiilinanoputkipohjaisten mikroelektroniikan komponenttien valmistettavuuden kehittämisessä. Yhdessä Canatun kanssa VTT kehittää valmistusmenetelmiä ja suunnittelusääntöjä, jotka mahdollistavat uuden sukupolven CNT-komponenttien teollisen skaalautumisen ja integroituvuuden tuleviin siruarkkitehtuureihin.
VTT:n strategisista kumppanuuksista vastaava johtaja Tauno Vähä-Heikkilä kuvailee Micronovaa ainutlaatuiseksi ympäristöksi, jossa VTT:n tiloissa toimii tällä hetkellä noin 20 erikokoista yritystä alkuvaiheen startupeista suuriin toimijoihin.
”Yhteiskäyttöiset puhdastilat antavat esimerkiksi startupeille mahdollisuuden prototyyppien pilotointiin ja toiminnan skaalaukseen. Näin ne voivat varmistaa ratkaisujensa toimivuuden ennen massiivisia laiteinvestointeja”, Vähä-Heikkilä täsmentää.
Tulevaisuuden osaajat kasvun selkärankana
Micronova ja sen tuleva laajennus Kvanttinova eivät ole ainoastaan yrityslähtöistä soveltavaa tutkimusta, vaan myös Suomen tärkein mikro- ja kvanttiteknologian koulutusympäristö. Kaikkiaan OtaNanon infrastruktuuri palvelee vuosittain noin 700 käyttäjää 9:stä eri yliopistosta, mikä takaa osaamispohjan jatkuvuuden startupeista suuryrityksiin.
OtaNanon merkitys akateemiselle perustutkimukselle on korvaamaton. Se tarjoaa tutkijoille pääsyn yli 300 huipputason laitteeseen, joiden avulla tehdään kansainvälisesti merkittäviä läpimurtoja.
”OtaNanoa hyödyntää vuosittain 27 European Research Councilin huippututkijaa, ja se toimii keskeisenä tutkimuslaiteympäristönä -yhteensä 7 eri kansalliselle sekä eurooppalaiselle huippututkimusyksikölle ja lippulaivalle”, kertoo OtaNano-tutkimusinfrastruktuurin johtaja Anna Rissanen.
Aallon tutkimuslaiteympäristössä työskentelee akateemisten tutkijoiden lisäksi 40 yritystä. Puhdastilan ohella käyttäjillä on mahdollisuus hyödyntää nanomikroskopian laiteympäristöä.
Korkean resoluution transmissioelektronimikroskooppi on yli viiden miljoonan laiteinvestointi, joka tulee käyttöön vuoden 2026 aikana ja avaa uusia mahdollisuuksia etenkin hiilinanoputkiin pohjautuvien teknologioiden kehittäjille ja tutkijoille.
Hiilinanoputki
Kestää jopa 1 000 kertaa suurempia virrantiheyksiä kuin kupari, mikä mahdollistaa äärimmäisen nopeat ja pienet komponentit ilman sulamis- tai ylikuumenemisriskiä.
Puolet alumiinia kevyempi, mutta suhteellinen lujuus on satoja kertoja terästä suurempi. CNT on yksi maailman vahvimmista tunnetuista materiaaleista.
Sietää hallituissa olosuhteissa yli 1 500 celsiusasteen lämpötiloja, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin puolijohdeteollisuuden vaativiin prosesseihin.
Jo muutama gramma hiilinanoputkia tarjoaa jalkapallokentän verran aktiivista pintaa. Tämä mahdollistaa äärimmäisen herkät anturit ja tehokkaat energiaratkaisut.
Tiekartta kohti vuotta 2030
Carbon Age -ohjelma on strateginen kehityspolku kohti uutta teknologista aikakautta, jossa hiilinanoputket mahdollistavat seuraavan sukupolven elektroniset, optiset ja diagnostiset ratkaisut.
Ohjelma keskittyy tuleviin, vielä kaupallistamattomiin sovellusalueisiin, jotka edellyttävät kehittyneitä hiilinanoputkia, uusia prosessointimenetelmiä ja integraatioratkaisuja.
Ohjelman painopisteenä ovat muun muassa mikroelektroniikka, sähkökemialliset anturit sekä nousevat Emerging Frontiers -huippualueet, joiden kautta luodaan perustaa tulevalle nanohiiliteollisuudelle.
”Mikroelektroniikan, sähkökemiallisten anturien sekä Emerging Frontiers -alueiden, kuten kvanttilaskennan ja avaruusteknologian, sovelluksissa hiilinanoputkien ominaisuudet pääsevät oikeuksiinsa tavalla, johon perinteiset materiaalit eivät pysty. Luomme nyt pohjaa sille, että Suomi on tämän kehityksen keskiössä vielä 2030-luvullakin”, Varjos visioi.
