Puhelinkin voi joku päivä olla pehmeä tai jopa venyvä – elastomeerit tuovat joustavia ratkaisuja elektroniikkaan
Kirjoittanut Vilma Lehto
Tutkijatohtori Jarkko Tolvanen tutkii, miten hänen kehittämäänsä itsekorjautuvaa materiaalia pystyisi hyödyntämään elektroniikassa.
Voisitko kuvitella, että joku päivä puhelimemme olisivat pehmeitä tai jopa venyviä? Tai että älykellosi lepäisi ranteen ympärillä kuin ylimääräisenä ihokerroksena, jota ei edes tuntisi? Tämä voi olla mahdollista, mikäli se on Oulun yliopistossa aihetta tutkivista Jarkko Tolvasesta ja Jari Juutista kiinni.
Elastomeerit ovat polymeeripohjaisia materiaaleja, joiden ominaisuuksiin kuuluu valtava elastisuus. Ne ovat siis venyviä, silikoni- tai kumimaisia materiaaleja. Lisäksi ne voivat olla itsekorjautuvia.
Oulun yliopistossa elastomeereja tutkii tutkijatohtori Jarkko Tolvanen. Lisäksi projektin toisena tekijänä hyörii yliopistotutkija Jari Juuti.
Alun perin kaksikon ideana oli tehdä joustavia, taipuisia antureita.
”Teimme Jarin kanssa anturointiin pitkiä nauhoja, joita olisi pystynyt käärimään esimerkiksi sylinterin ympärille. Siitä se ajatus lähti”, Tolvanen selittää.
Tolvasen työskennellessä pehmeiden materiaalien kanssa hän havahtui pian siihen, kuinka ongelmallisia nämä materiaalit voivat olla. Jos niihin tulee pienikin viilto, koko materiaali voi repeytyä lopulta sitä pitkin. Siksi Tolvaselle heräsi ajatus, että markkinoille tarvittaisiin itsekorjautuvia materiaaleja. Sellaisia, jotka jopa estäisivät vaurion etenemisen tai korjaisivat sen itse.
”Taustalla on myös ajatus elektroniikan luotettavuudesta. Sen pitäisi olla luotettavaa, vaikka se joutuisi erilaisiin olosuhteisiin, kuten vaikkapa lämpötiloihin”, Juuti mainitsee.
Elastomeereista tulevaisuuden komponentteja
Tolvanen onnistui kehittämään itsekorjautuvan materiaalin polymeereja hyödyntäen. Nyt hänen tarkoituksenaan on selvittää, miten materiaalia pystyy käyttämään elektroniikkaan. Hän tarkastelee elastomeeripohjaisten materiaalien sähköistä toimivuutta eli sitä, kuinka ne voisivat toimia elektroniikan materiaaleina ja muodostaa komponentteja.
”Minulla on tässä pitkän aikavälin tavoitteena, että kaikki elektroniikan materiaalit voisi joskus tehdä omaan materiaaliin pohjautuen.”
Tällä hetkellä Tolvanen yrittää tehdä elastomeerikomponentteja, joissa on erilaisia kerroksia päällekkäin. Jokaisessa kerroksessa olisi tarkoitus olla omanlaisensa toiminnallisuus. Tämä kuitenkin tarkoittaa sitä, että jokainen kerros pitää tehdä muihin kerroksiin yhteensopivaksi. Näin myös komponentin rakenne pysyy elastisena.
”Jarkko on tehnyt huimia juttuja siinä, että hän on saanut kaikki kerrokset yhteensopiviksi. Tämä tarkoittaa sitä, että materiaalit on alusta asti suunniteltu sopimaan yhteen”, Juuti kommentoi.
Tässä mallikappaleessa on neljä eri kerrosta. Kuvassa kerroksien olemassaolon paljastaa kappaleen oikeassa laidassa oleva kirkas pystyviiva.
Jotta komponentit saataisiin toiminnallisiksi, ne pitää myös kuvioida oikein. Siksi Tolvanen haluaa selvittää tutkimuksissaan myös sitä, kuinka elastomeereista tehtyjä toiminnallisia materiaaleja saataisiin kuvioitua. Kun materiaalit ensin asetellaan oikein toistensa päälle ja ne ovat sopivasti kuvioituja tietyistä kohdista tai kerroksista, muodostavat ne tällöin komponentin.
”Ei riitä, että on olemassa pelkkä materiaali, vaan siihen materiaaliin pitää pystyä tekemään erilaisia alueita tai muotoja, kuten esimerkiksi saada aikaiseksi kuvioituja johdinmateriaaleja. Vasta silloin siihen saa upotettua elektronisen toiminnallisuuden”, Juuti tarkentaa.
”Idea on siis se, että sähköä johtava elastomeeri pitää saada kuvioitua, jotta siitä saa tehtyä johtimet piiriin tai elektrodit komponenttiin. Ilman sitä komponenttia tai piiriä ei saa toteutettua niin, että se toimisi. Sähkövirta pitää saada tuotua jotakin kautta komponentille tai piiriin”, Tolvanen jatkaa.
Mukavia ja huomaamattomia ihon jatkeita
Tolvasen toiveissa olisi, että elastomeereja voisi joskus käyttää esimerkiksi kehon eri toimintojen mittaamiseen. Tällöin ihoon liimattaisiin elektrodit, joilla voisi mitata vaikkapa tiettyyn lihakseen tulevaa pulssia. Näiden elektrodien pitää olla pehmeitä, mukavia ja huomaamattomia, ihonmukaisia.
Tällä hetkellä itsekorjaantuva materiaali saattaa olla tahmaista ja se jää esimerkiksi paitaan sitkeästi kiinni, jos se siihen osuu. Materiaalien ominaisuuksia pystyy kuitenkin säätelemään esimerkiksi juuri tarttuvuuden mukaan.
”Voimme tehdä esimerkiksi iholle laitettavasta materiaalista sellaisen, että se on tahmainen ihoa vasten mutta tarttumaton toiselta puolelta”, Tolvanen kertoo.
Tolvanen on myös havainnut, että jotkin materiaalit näyttäisivät muistavan sen muodon, mihin se on tehty. Esimerkiksi kalvomuotoon tehty mallikappale voi pyrkiä palautumaan takaisin kalvoksi, vaikka sen myttäisi palloksi tai viiltäisi riekaleiksi.
Tolvanen on ehtinyt tehdä tutkimusuransa aikana satoja, ellei jopa tuhansia kokeita elastomeereihin liittyen.
”Nämä materiaalit ovat monimutkaisia tutkittavia, koska ne eivät ole staattisia. Mitä tahansa voi tapahtua ajan myötä, ja mikä tahansa asia, kuten lämpötila tai kosteus voi vaikuttaa niihin”, Tolvanen selittää.
Juuti haluaakin muistuttaa, että tutkimus on vasta aluillaan.
”Jarkon työn kautta tutkimus on saanut kovasti lisäpotkua. Tämä on yksi meidän huipputuloksistamme, ja olemme siitä tosi ylpeitä.”
Tämä mallikappale oli erittäin tahmea tapaus.
Yle vieraili Oulun yliopistolla viime vuonna ja teki jutun lisäksi videon elastomeereista. Pääset katsomaan sen täältä.
Vilma Lehto
Viestinnän harjoittelija // Communications Intern
+358 50 305 5761
vilma.lehto@oulu.fi
Blogitekstit, uutiset, sosiaalinen media, tapahtumaviestintä.
Blog posts, news, social media, events communication.