Uusista hiilirakenteista odotetaan elektroniikan mullistajia

Kuvitus Hannu Kyyriäinen.

Grafeeniin, fulleriiniin ja nanoputkiin sijoitetaan paljon odotuksia, mutta kaupallistaminen etenee hitaasti.

Venäläissyntyiset Andre Geim ja Konstantin Novoselov saivat viime vuonna fysiikan Nobel-palkinnon vain kuusi vuotta aiemmin esittelemistään kokeista grafeenilla.

Grafeeni muodostuu säännöllisistä kuusikulmioista, joiden kulmissa on hiiliatomi. Kyse on siis äärimmäisen ohuesta, vain yhden atomin paksuisesta kerroksesta grafiittia. Se on ohuinta, vahvinta ja jäykintä materiaalia, mitä ihminen on koskaan osannut valmistaa. Se johtaa erittäin hyvin sähköä ja lämpöä.

Grafeeni on kolmas hiilen nanorakenne, josta povataan elektroniikan ja materiaalitekniikan mullistajaa. Vuonna 1985 keksitty pallomainen fullereeni ja 1991 löydetty hiilinanoputki ovat kuitenkin osoittautuneet vaikeiksi kaupallistaa, huomauttaa tiedelehti Nature.

Lehti käsitteli uusia hiilen muotoja Kemian juhlavuoden teemanumerossaan. YK:n ja Unescon kansainvälinen Kemian vuosi juhlistaa Marie Curien Nobel-palkintoa vuodelta 1911.

Piisirujen tilalle?

Ehkä kolmas kerta toden sanoo. Grafeenista tehdään jo nyt yli 400 patenttihakemusta vuodessa, saman verran kuin fullereenista. Viime vuonna grafeeni oli noin 3 000 tutkimusartikkelin aiheena. Etelä-Korea suunnittelee yli 200 miljoonan euron investointiohjelmaa grafeenin kaupallistamiseksi.

Esimerkiksi IBM ja Samsung testaavat grafeenielektroniikkaa: äärimmäisen pieniä ja nopeita virtapihejä laitteita, jotka jonain päivänä saattavat korvata piisirut tietotekniikassa.

Grafeenihurmassa kannattaa muistaa, että samalla asenteella suhtauduttiin myös fullereenin ja nanoputkien mahdollisuuksiin. Fullereeneilla ei ole juuri lainkaan käytännön sovelluksia, ja vaikka nanoputket ovat menestyneet paremmin, ne ovat yhä kalliita valmistaa ja vaikeita hallita.

Vaikka yksinkertaiset sovellukset ovat melko lähellä - esimerkiksi nanoputkilla vahvistetut komposiittimateriaalit lentokoneissa tai autoissa - hiilinanoputkien huipputeknologiset elektroniikkasovellukset ovat edelleen vuosien päässä.

Hiilinanoputkista valmistetun integroidun piirin tulisi sisältää miljardeja tasalaatuisia nanoputkitransistoreita. Nykytekniikalla se ei ole mahdollista.

Hintakilpailu

Grafeeni antaa kuitenkin hieman enemmän aihetta optimismiin. Nykyinen valmistustapa tuottaa suhteellisen kontrolloidusti tasalaatuista grafeenilastua. Ohuet grafeenilevyt ovat isompia ja niitä on helpompi käsitellä kuin nanoputkia.

Grafeeni ei silti ole korvaamassa piilastuja vielä moneen vuoteen. Piielektroniikan kehitykseen on käytetty biljoonia euroja ja miljoonia henkilötyövuosia, selittää teksasilaisen Rice Universityn nanotekniikkaan erikoistunut orgaaninen kemisti James Tour Naturessa.

Hiilinanoputket ja halvat, alemman laatutason grafeenilastut voivat silti olla kilpailukykyisiä vähemmän vaativassa elektroniikassa, kuten läpinäkyvinä elektrodeina aurinkokennoissa ja kosketusnäytöissä. Kilpailukyvyn kannalta oleellista on nykyisten kosketusnäyttöjen materiaalien, kuten indiumtinaoksidin, hinnan kehitys.

Indium on harvinaista, ja siksi näytöt ovatkin kallistuneet, mikä voisi antaa grafeenilastuille kilpailuedun. Nanoputket tosin tarjoavat tässäkin varoittavan esimerkin. Hiilinanoputkien piti muodostaa tulevaisuuden televisioruudut. Kilpailevat plasma- ja nestekidenäyttöteknologiat kuitenkin kehittyivät nopeammin ja veivät voiton.