Väitöstutkija kehitti uusia menetelmiä grafeenin ja grafeenin kaltaisten yhdisteiden valmistukseen (Väitös FM Jussi Kauppila, 9.12.2014, kemia)
Filosofian maisteri Jussi Kauppila on kehittänyt väitöstutkimuksessaan uudenlaisia menetelmiä tulevaisuuden nanomateriaalin, grafeenin, tuottamiseen. Grafiitista valmistettavalla grafeenilla on monia erinomaisia fysikaalisia ominaisuuksia, mutta yksi suurimmista haasteista on löytää keino tuottaa grafeenia kustannustehokkaasti.
Turun yliopiston tiedote 2.12.2014
Grafeenia onnistuttiin eristämään ensimmäisen kerran vuonna 2004, jonka jälkeen grafeenitutkimus on saavuttanut valtavan suosion. Yksi grafeenitutkimuksen suurimmista haasteista on tuottaa hyvälaatuista grafeenia kustannustehokkaasti.
Kauppila perehtyy väitöskirjatutkimuksessaan erilaisiin menetelmiin valmistaa grafiitista grafeenia, sekä saavuttamaan parempi ymmärrys grafeenin ominaisuuksista.
– Grafiitti on luonnosta löytyvä hiilimateriaali, joka koostuu päällekkäin pakkautuneista grafeenilevyistä. Grafiitissa yksittäiset grafeenilevyt ovat tiukasti tarttuneina toisiinsa ja niiden erottaminen on hyvin haastavaa, Kauppila kertoo.
Työn kokeellisessa osassa hän käytti sekä kemiallisia että fysikaalisia menetelmiä grafeenien irrottamiseen,
– Fysikaalisissa menetelmissä grafiittiin kohdistetaan jokin mekaaninen voima, esimerkiksi voimakas ultraääni, joka saa grafeenilevyt irtoamaan toisistaan. Jotta grafeenilevyt eivät pakkautuisi uudelleen grafiitiksi, on grafeenilevyjen pintaan liitettävä sopivia pintamolekyylejä, Kauppila kuvaa.
Kemiallisissa menetelmissä hän muutti grafiitissa olevien grafeenilevyjen kemiallista rakennetta saadakseen grafeenilevyt irtoamaan helpommin toisistaan.
– Yksi suosituimmista grafeenin valmistusmenetelmistä on hapetetun grafeenin, eli grafeenioksidin, pelkistys ja se oli myös yksi keskeisimmistä tutkimuskohteistani. Grafeenioksidia on helppo valmistaa ja vesiliukoisena materiaalina sen käsittely on huomattavasti helpompaa kuin grafeenin, Kauppila sanoo.
Hän kertoo, että grafeenioksidissa grafeenin rakenne on osittain rikottu, joten sillä ei ole grafeenin erinomaisia sähköisiä ja mekaanisia ominaisuuksia.
– Grafeenioksidin pelkistystä takaisin grafeeniksi tutkittiin sekä kemiallisin että sähkökemiallisin menetelmin. Kemiallisten pelkistysmenetelmien tutkimukset paljastivat, että vanadiini (III) toimii yhtä tehokkaana pelkistimenä kuin yleisimmin käytetty hydratsiini, Kauppila sanoo.
Vanadiinin avulla pelkistetty grafeeni avaa uusia mahdollisuuksia paristojen ja muiden sähkön varastointiin keskittyvien laitteiden valmistuksessa.
Eräs kokeellisen työn pääkohteista oli grafeenioksidin spektrosähkökemiallinen tutkimus, jossa grafeenioksidin rakenteellisia muutoksia voitiin seurata spektroskooppisesti samalla kun pelkistysreaktiota kontrolloitiin sähkökemiallisesti.
Sähkökemiallisen pelkistyksen etuna kemialliseen pelkistykseen nähden on turvallisempien kemikaalien käyttö sekä parempi pelkistysreaktion parempi hallinta.
***
Tiistaina 9. joulukuuta 2014 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Arcanum, Arc1-luentosali, Arcanuminkuja 4, Turku) julkisesti tarkastettavaksi FM Jussi Kauppilan väitöskirja ”Graphene from Graphite by Chemical and Physical Techniques” (Grafeenia grafiitista kemiallisin ja fysikaalisin menetelmin). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Francesco Paolucci Bolognan yliopistosta Italiasta ja kustoksena professori Carita Kvarnström Turun yliopistosta.
FM Jussi Kauppila on syntynyt 1984 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2003 Luostarivuoren lukiosta. Filosofian maisteriksi Kauppila valmistui 2009 Turun yliopistosta. Väitös kuuluu kemian alaan.