Tulevaisuuden älykkäät biomateriaalit ymmärtävät itse hajota luonnossa

Blogit
Emilia Nordlund

Kuvittele, että ostat kaupasta uudet kiiltävät nahkakengät. Niitä ei ole kuitenkaan valmistettu eläimen nahasta vaan sienirihmastosta. Kun astut uusilla kengillä lätäkköön, pinta hylkiikin vettä. Käytön myötä kengät hankautuvat ja kuluvat, mutta se ei haittaa, koska niiden materiaali korjaa itse itsensä. Tulevaisuudessa tämä voi olla täyttä totta – biopohjaisten älykkäiden materiaalien avulla. Mitä älykkäät materiaalit ovat ja mitä niiltä voi odottaa tulevina vuosikymmeninä?

Älykäs materiaali reagoi erilaisiin olosuhteisiin

Älykellot, älyvalaisimet ja älykodinkoneet. Erilaiset älysovellukset ovat viime vuosina soluttautuneet kaikkialle arkeemme. Älykkäissä biomateriaaleissa kyse ei ole kuitenkaan tietotekniikasta, vaan luonnosta löytyvien ominaisuuksien hyödyntämisestä.

Materiaalista tekee älykkään sen responsiivisuus: se pystyy muuttumaan reagoimalla erilaisiin olosuhteisiin, kuten paineeseen, valoon, kosteuteen tai lämpötilaan. Käytännössä materiaaliin lisätään jokin komponentti, esimerkiksi polymeeri, jonka ominaisuudet muuttuvat ulkoisten olosuhteiden mukaan. 

Luonnon materiaalien älykkyys juontuu entsyymeistä, muista proteiineista tai soluista, jotka reagoivat ulkoisiin olosuhteisiin ja muuttavat näin materiaalin ominaisuuksia. Näitä biologisia mekanismeja matkimalla pyritään kehittämään uusia biopohjaisia älykkäitä materiaaleja. Esimerkiksi kohdatessaan happea ja vettä älykkäästä materiaalista valmistetut nahkakengät voisivat tuottaa korjaavaa ainesosaa rikkoutuneeseen kohtaan. Toistaiseksi mikrobipohjaisen nahan kehityksessä pyritään vielä imitoimaan mahdollisimman tarkasti eläinperäisen nahan ominaisuuksia. Älykkäiden ominaisuuksien lisääminen tulee mukaan seuraavissa kehitysvaiheissa.
 

Luonnon inspiroimat materiaalit ovat tulevaisuudessa biopohjaisia ja älykkäitä

Älykkäät materiaalit voidaan karkeasti jakaa kahteen kokonaisuuteen: luontoa imitoiviin materiaaleihin ja materiaaleihin, joissa luonnosta löytyviä ratkaisuja sovelletaan uudella tavalla.

Luonnosta on ammennettu inspiraatiota ja kopioitu rakenteita ja ominaisuuksia materiaalien valmistuksessa jo pitkään. Esimerkiksi tekstiiliteollisuudessa on kehitetty kävyn rakennetta matkiva materiaali, joka tekee tekstiilistä vedenpitävän tai kosteutta läpäisevän. Kastuessaan käpy menee suppuun, ja kuivuessaan se taas aukeaa. Luonnosta inspiraationsa on saanut myös itsensä puhdistava materiaali, jota voidaan käyttää esimerkiksi aurinkopaneeleissa tai pilvenpiirtäjissä. Materiaalissa on imitoitu lootuskasvin lehden pintaa, joka on niin vettähylkivää, että vesipisarat vierivät pieninä palloina terälehdiltä niitä puhdistaen.

Luonnosta löytyviä ominaisuuksia hyödynnetään myös uudella tavalla erilaisissa ihmisten tekemissä sovelluksissa. Esimerkiksi VTT:n tutkimusryhmä on kehittänyt yhteistyössä singaporelaisen yliopiston kanssa iskunkestävän nanokomposiitin, jonka rakenne on kopioitu sirkkaäyriäisten raajoista. Niiden raajoissa on pehmeä iskuja vaimentava sisäkerros sekä kova ja iskunkestävä ulkokerros, minkä ansiosta niillä on koko eläinkunnan voimakkain isku. VTT:n tutkimusryhmä tuotti samankaltaisen rakenteen ja koosti uuden komposiitin koivusta valmistetusta nanoselluloosasta ja kyseiseen komposiittiin räätälöidystä proteiinista. Nanokomposiitista on valmistettu esimerkiksi kovempia ja kevyempiä hammasimplantin kruunuja, ja se sopii tulevaisuudessa tuotteisiin, joissa materiaalin pitää kestää kulutusta.

Oulun yliopistossa on taas juuri kehitetty itsekorjautuva materiaali, jossa on otettu mallia heinäsirkan jalan resiini-­kitiini-komposiittirakenteesta. Materiaalin voi leikata kokonaan poikki, ja se kuroutuu takaisin yhteen noin minuutissa ilman lämmitystä tai muuta ulkoista energianlähdettä. Tulevaisuudessa sitä voidaan käyttää esimerkiksi tiivisteissä ja elektroniikassa.

Toisen kokonaisuuden muodostavat materiaalit, joihin ihminen on soveltanut biologiasta löytyviä hyödyllisiä toiminnallisuuksia. Viime aikoina tutkijat ovat olleet erityisen kiinnostuneita elävien mikrobien lisäämisestä materiaaleihin. Tutkijat ovat esimerkiksi valmistaneet itsekorjautuvaa betonia lisäämällä siihen kovia olosuhteita kestäviä mikrobeja. Kun betoniin tulee särö ja rakenteisiin pääsee vettä, mikrobi aktivoituu ja korjaa särön saostamalla kalsiumkarbonaattia halkeamiin. Näin materiaali pidentää betonin elinikää.

Elävien materiaalien hyödyntämisessä on kuitenkin aina huolehdittava siitä, etteivät mikrobit pääse leviämään materiaalista muualle ja aiheuta turvallisuusriskiä. Osin siksi niiden kehittäminen on myös hitaampaa.
 

Tulevaisuuden materiaalit korjaavat ja hajottavat itse itsensä

Älykkäitä materiaaleja voidaan tulevaisuudessa käyttää sekä ympäristön että ihmisten hyvinvoinnin edistämiseen. Esimerkiksi lääketeollisuudessa kehitetään uusia biologisia hoitokeinoja: biosensorit tunnistavat elimistön sisäisiä vaurioita, ja biolääkkeet aktivoituvat tietyissä olosuhteissa, jolloin ne ryhtyvät tuottamaan lääkeainetta kontrolloidusti sopivaan tahtiin.

Lääketieteen lisäksi älykkäillä materiaaleilla on paljon käyttömahdollisuuksia kiertotaloudessa. Itsensä korjaavat materiaalit pidentävät tuotteiden elinikää, jolloin luonnonvaroja ja ilmastopäästöjä säästyy, kun uusia tuotteita tuotetaan vähemmän. 

Älykkäät materiaalit helpottavat myös tuotteiden kierrätystä. Esimerkiksi muovien ja tekstiilien kierrätyksessä ongelmana on usein, että tuotteeseen on sekoitettu monia eri kuituja tai yhdisteitä, joita ei saada enää irrotettua toisistaan. Tulevaisuudessa voisimme esimerkiksi ohjelmoida eri yhdisteet irtoamaan toisistaan tai hajoamaan tietyissä olosuhteissa, jolloin esimerkiksi tekstiilin eri valmistusaineet saataisiin eroteltua toisistaan. Näin materiaalien kierrätys helpottuisi.

Luonnon suojelemiseksi materiaaleja voidaan tulevaisuudessa myös kehittää hajoamaan itsestään tietyissä olosuhteissa. Muoviroskaa päätyy yhä luontoon valtavia määriä. Muovia hajottavia entsyymejä on jo löydetty, mutta vielä itse muovimateriaalit eivät ole niin älykkäitä, että osaisivat hajota tietyissä olosuhteissa yhdisteiksi, jotka eivät aiheuta haittaa ympäristölle. Ehkä tulevaisuudessa biomuovi tai muovin kaltainen materiaali on valmistettu siten, että tietty veden ja suolan yhdistelmä laukaisee sen hajoamisen: eli kun muoviroskaa päätyy mereen, meriveden erilaiset ominaisuudet verrattuna makeaan veteen laukaisevat muovin hajoamisen. Tällaisia uusia älykkäiksi suunniteltuja muoveja ei tarvitse valmistaa öljystä, vaan ne voidaan tehdä esimerkiksi solujen avulla bioteknologisesti. 
 

Jaa
Emilia Nordlund

Emilia Nordlund

Research Manager