Teksti Marja Ollakka, kuvat Petri Murto
Suomalainen Petri Murto kehittää maineikkaassa Cambridgen yliopistossa uusia valonlähteitä OLED-teknologiaan. Käytännön sovelluskohteita voivat olla esimerkiksi televisiot, ohuet ja taipuisat puhelinten ja älykellojen näytöt – ja jopa kvanttitietokoneet.
Kemian Nobel-palkinto myönnettiin tänä vuonna kvanttipisteiden kehittäjille, joiden työ on mahdollistanut esimerkiksi QLED-tekniikan kehittämisen. Cambridgen yliopiston tutkija Petri Murto puolestaan on kehittänyt uuden synteettisen menetelmän stabiilien radikaalien valmistamiseen niiden käyttämiseksi tehokkaina valon säteilijöinä OLED-applikaatioissa (Organic Light Emitting Diode). Tutkimus julkaistiin heinäkuussa Nature Communications -tiedelehdessä.
”Kehittämällämme menetelmällä voi valmistaa orgaanisia radikaaleja, jotka ovat stabiileja ja puhtaita sekä säteilevät valoa eli luminesoivat erittäin tehokkaasti. Osoitimme myös, että radikaaleista voi valmistaa tehokkaita OLEDeja, mikä on lupaava merkki mahdollisen kaupallistamisen kannalta”, Petri Murto kertoo.
”Tehokkaasti luminesoiva materiaali mahdollistaa tehokkaiden OLEDien valmistuksen fluoresenssin avulla.”
OLED-teknologiaa on jo pitkään käytetty esimerkiksi kuvaruuduissa. OLED-kuvaruudut koostuvat perinteisesti orgaanisista yhdisteistä, jotka syttyvät, kun niihin johdetaan sähköä, ja sammuvat ilman sähkövirtaa.
”Pimeistä radikaaleista voidaan tehdä luminesoivia”
Suurta osaa orgaanisista radikaaleista on aiemmin pidetty valoa säteilemättöminä eli pimeinä.
”Yksi tutkimuksemme löydöistä on, että myös pimeistä radikaaleista voidaan tehdä luminesoivia, jos niiden molekyylisymmetria rikotaan joko optisesti tai sähköisesti virittämällä. Tämän ansiosta pystyimme valmistamaan punaisia OLEDeja, jotka operoivat 28 prosentin tehokkuudella – mikä tarkoittaa lähes sataprosenttista tehokkuutta valon tuottamiseen.”
”Orgaanisia radikaaleja voisi tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi kvanttitietokoneissa.”
Tutkimuksessa kehitetty orgaaninen radikaali on tehokkaasti luminesoiva materiaali, joka mahdollistaa tehokkaiden OLEDien valmistuksen fluoresenssin avulla.
”Toisena tärkeänä tekijänä siinä on viive, jolla materiaali säteilee valoa. Orgaaniset radikaalit ovat toistaiseksi ainoa tapa tuottaa fluoresenssia sataprosenttisella tehokkuudella ilman viivettä – mikä on ilouutinen käytännön OLED-sovellusten kannalta”, Petri Murto kertoo.
Fluoresenssi on nopea prosessi, jossa materiaali tuottaa valoa nanosekuntien aikana, mutta fluoresenssi on perinteisesti ollut matalatehoista. Fosforenssi on tehokkaampi tapa tuottaa valoa, mutta fosforesoiva materiaali säteilee valoa viiveellä, mikä rajoittaa OLEDien käyttökohteita.
Tavoitteena oma ryhmä jatkotutkimuksia varten
Orgaanisia radikaaleja voisi tulevaisuudessa hyödyntää OLEDien lisäksi esimerkiksi kvanttitietokoneissa, sähkön varastoinnissa ja tuottamisessa sekä aurinkokennojen tehostamisessa.
”Orgaaniset radikaalit sisältävät parittoman elektronin, josta nimitys radikaali tulee. Liittämällä useampia radikaaleja samaan molekyyliin voidaan kehittää luminesoivia materiaaleja, joiden parittomat elektronit kommunikoivat keskenään eri viritystiloilla, ja niiden historiaa eli muistia voidaan lukea optisesti. Toisin sanoen tämän avulla voidaan kehittää optisia kvanttitietokoneita, ja siihen olemmekin Cambridgessa ottamassa jo ensiaskeleita”, tutkija kertoo.
”Toinen mielenkiintoinen tutkimusaihe jatkoa ajatellen on orgaanisten radikaalien käyttö aurinkokennoissa, joissa ne voisivat tehostaa aurinkoenergian talteenottoa kvanttiteknologiaa hyödyntämällä.”
Murron tutkimus on ajankohtainen: vuoden 2023 kemian Nobel-palkinto myönnettiin kvanttipisteiden kehittämisestä.
”Se osoittaa, että puolijohteiden kehittämisellä on hyvät tulevaisuudennäkymät. Palkinto on tavallaan jatkumoa vuoden 2000 kemian Nobelille sähköä johtavien polymeerien kehittämisestä ja vuoden 2014 fysiikan Nobelille tehokkaiden sinisten LEDien keksimisestä”, Murto sanoo.
Oululainen Petri Murto, 38, lähti maailmalle Oulun yliopistossa suoritettujen kemian perusopintojensa jälkeen. Tällä hetkellä hän on Cambridgen yliopiston kemian laitoksella professori Hugo Bronsteinin ryhmässä tutkijana yliopiston rahoituksella – mikä tarkoittaa, että hän voi halutessaan jatkaa työtään siellä. Tutkijan mieli on suuntautunut kuitenkin jo uusiin ajatuksiin.
”Tavoitteenani on perustaa oma tutkimusryhmä aiheen jatkotutkimuksia varten. Olenkin käynyt jo keskusteluja eri yliopistojen kanssa. Orgaanisten radikaalien käyttö elektroniikassa on vielä niin uutta, että tutkittavaa riittää varmasti. Kyllä tähän yhden tutkijan uran voi käyttää!”
Yksi johtavista tutkimusyhteisöistä orgaanisen elektroniikan alalla
Vaikka orgaaniset radikaalit on tunnettu jo 1900-luvun alusta lähtien, Petri Murron tutkimus on hyvin uutta alalla. Murron julkaisu on osaltaan fysiikkaa, ja siinä on tärkeänä tekijänä mukana Cambridgen yliopiston fysiikan professori Sir Richard Friendin tutkimusryhmä.
”Olemme ottamassa vasta ensiaskeleita, mutta aihe on erittäin mielenkiintoinen. Voi sanoa, että olemme tällä hetkellä yksi johtavista tutkimusyhteisöistä orgaanisen elektroniikan alalla”, Murto sanoo.
”Harvassa kaupungissa voi käydä tieteellisiä keskusteluja pubissa tai kadunkulmassa viikonloppuöisin!”
Ensimmäisiä käytännön sovelluskohteita voisivat olla esimerkiksi ohuet, kevyet ja taipuisat puhelinten, tablettien ja älykellojen näytöt sekä tv-näytöt.
”Mitä tehokkaampia OLED-pikselit ovat, sitä pienempiä pikseleitä ja korkearesoluutioisempia näyttöjä voidaan tehdä. Erityisesti punaiset OLEDit ovat perinteisesti olleet vähemmän tehokkaita kuin vihreät ja siniset, joten punaisista pikseleistä on täytynyt tehdä muita suurempia. Tämä ongelma voidaan nyt ratkaista tehokkailla punaisilla OLED-materiaaleilla, kuten julkaisussamme olemme tehneet.”
Cambridgessa tiedekeskusteluja pubissakin
Kemian ja materiaalitieteen tohtori Petri Murto on työskennellyt tutkijana Cambridgen yliopiston Yusuf Hamied Department of Chemistryssä vuodesta 2019 alkaen. Hän nauttii tutkimustyöstä stimuloivassa ilmapiirissä.
”Cambridgessa on luotu tutkimustyölle käytännössä rajoittamattomat puitteet. Jokainen tutkija onkin paneutunut aiheeseensa sataprosenttisesti – samoin kaikki opiskelijat”, hän kertoo.
Tutkijoiden on helppoa pysyä motivoituneena, koska yhteisenä päämääränä on tehdä uraauurtavaa tutkimusta.
”Elämmekin täällä Cambridgessa tietynlaisessa tiedekuplassa. Harvassa kaupungissa voi käydä tieteellisiä keskusteluja pubissa tai kadunkulmassa viikonloppuöisin!”
Lue lisää:
Petri Murron open access -julkaisu: Mesitylated trityl radicals, a platform for doublet emission: symmetry breaking, charge-transfer states and conjugated polymers
Petri Murto
- Väitellyt tohtoriksi kemian ja materiaalitieteen kaksoistutkinnolla vuonna 2018 kahdesta eri yliopistosta.
- Pääyliopisto oli Chalmers University of Technology Göteborgissa Ruotsissa. Toinen oli Flinders University Adelaidessa Australiassa.
- Väitöskirja: Synthesis of Conjugated Polymers and Small Molecules for Organic Light-Emitting Devices and Photodetectors.
