Sellusta 6G-antenneja – Tulevaisuuden elektroniikasta voi löytyä puupohjaisia materiaaleja

Elektroniikan määrä maailmassa kasvaa jatkuvasti, ja uusia tietoliikennetekniikan materiaaleja tarvitaan siirryttäessä kohti entistä korkeampia langattomien teknologioiden käyttötaajuuksia. Samaan aikaan kaikkea tuotantoa ja kulutusta on muutettava ympäristön kannalta kestävämmäksi maailmanlaajuisen ilmaston lämpenemisen hillitsemiseksi. Miten nämä kaksi keskenään jopa ristiriitaista tavoitetta voidaan yhdistää?

Nanoselluloosa on monipuolinen materiaali

Selluloosa on maailman runsaslukuisin biopolymeeri. Se on luontaisesti uusiutuva, myrkytön ja kevyt materiaali, jota on helppo muokata erilaisiin käyttötarkoituksiin. Hajottamalla selluloosa edelleen nanokokoisiksi kuiduiksi, voidaan edelleen parantaa sen mekaanisia ominaisuuksia. Nanoselluloosakuiduista voidaan valmistaa mm. filmejä tai huokoisia aerogeelejä, ja kemiallisen muokkauksen avulla nanoselluloosarakenteeseen voidaan sitoa johtavia materiaaleja sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Toisaalta selluloosan luontainen erittäin matala permittiivisyys on kiinnostavaa tulevaisuuden tietoliikennetekniikan (6G) sovellutuksia ajatellen. Korkeammille taajuuksille siirryttäessä signaalien häviöt täytyy saada minimoitua, jolloin perinteiset korkean permittiivisyyden materiaalit kuten metallit eivät välttämättä ole paras ratkaisu.

Tutkimuksessamme on kehitetty erityyppisiä selluloosapohjaisia elektroniikan materiaaleja, kuten sähkömagneettisen säteilyhäiriön suojaukseen soveltuvia huokoisia aerogeelejä, lämpötilan avulla säädettäviä älykkäitä pintoja ja täysin biopohjaisia korkean taajuuden antenneja. Näissä esimerkeissä korostuu nanosellun monipuolisuus: osassa sovellutuksia siitä on tehty huokoisia vaahtoja, jotka ovat ”näkymättömiä” sähkömagneettiselle säteilylle, kuin ilmaa. Kun samaan rakenteeseen lisätään johtavia epäorgaanisia partikkeleita, huokoinen ja johtava rakenne absorboi säteilyä erittäin tehokkaasti, mutta materiaali on ultrakevyttä toisin kuin metallit. Kun aerogeelin sijaan tehdään tiivis filmi, kasvaa absorption sijaan heijastumisen osuus, jolloin langattomia signaaleja voidaan mm. ohjata haluttuun suuntaan. Merkittävimmät löydökset apurahakaudella saaduista tutkimuksista liittyvät radiotekniikkaan, jossa valmistimme täysin biopohjaisia kohdistavia antenneja korkeille (6G) taajuuksille.

Tasapainoilua teknologisen ja kestävän kehityksen välillä

Parhaimmillaan puupohjainen elektroniikka voi auttaa kestävämmän elektroniikan kehityksessä, mutta myös osaltaan edistää metsäteollisuuden korkean jalostusasteen materiaalien kehitystä. Mikäli metsiä voitaisiin hyödyntää korkean volyymin ja matalan arvon tuotteiden sijaan pidemmälle jalostetuissa arvokkaammissa komponenteissa ja materiaaleissa, se edistäisi myös metsäteollisuuden kilpailukykyä. Ideaalitilanteessa hakkumääriä voitaisiin myös pienentää, sillä pienemmilläkin raaka-ainemäärillä voitaisiin päästää samaan tuottoon. Työskentely tämän aiheen parissa onkin erittäin palkitsevaa sen yhdistäessä teknologiset ratkaisut tiiviisti kestävään kehitykseen

Riikka Haatajalle, väitöskirjatutkija Oulun yliopistossa, myönnettiin Tekniikan edistämissäätiön kannustusapuraha 5000€ vuonna 2024.