Turun yliopiston tutkijat valjastivat luonnon fraktaalirakenteet parantamaan joustavien elektronisten laitteiden suorituskykyä. Joustavaa elektroniikkaa ovat esimerkiksi puettavat anturit ja elektroninen iho.
Turun yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt innovatiivisen metodin kasvin lehtiluurankojen fraktaalirakenteiden jäljentämiseen erilaisissa materiaaleissa.
Fraktaalikuviot ovat itseään toistavia rakenteita, joissa sama muoto toistuu yhä pienemmässä mittakaavassa. Esimerkiksi puiden oksistot, lehtiluurangot, verisuonistot ja monet kukinnot, kuten kukkakaali, noudattavat fraktaalista rakennetta.
Tutkijat valmistivat luonnollisia fraktaalikuviota jäljitteleviä pintoja hyödyntämällä kuivattuja puunlehtien luurankoja. Lehtiluurankojen päälle suihkutettiin eri valmistusmateriaaleja, minkä jälkeen uusi pinta erotettiin ja tutkijat vertailivat eri materiaaleista valmistettujen pintojen rakenteen ominaisuuksia ja kestävyyttä.
Tämä biomimeettinen eli luonnon rakenteita jäljittelevä pinta on venyvä, hengittävä ja ihmisen ihoa mukaileva, minkä ansiosta se soveltuu hyvin joustavan elektroniikan sovelluksiin. Tutkijat onnistuivat jäljittelemään lehtiluurankojen kuviota 90 prosentin tarkkuudella. 
Ylärivillä lähikuvissa Ficus religiosa -kasvin lehtiluurangon rakenne, ja alarivillä lähikuvissa lehden mikrorakennetta jäljittelevä biomimeettinen pinta, joka on valmistettu Nylon 6 polymeerista.
Fraktaalikuvioihin perustuvan pinnan etuna on, että sen itseään toistava hierarkkinen rakenne maksimoi pinta-alan säilyttäen samalla pinnan mekaanisen joustavuuden. Nämä ainutlaatuiset kuviot parantavat pintojen venyvyyttä, minkä lisäksi elektronisissa materiaaleissa rakenne parantaa sähkönjohtavuutta, energiatehokkuutta, energian tasaista jakautumista ja varauksen kuljetusta. Nämä ominaisuudet takaavat kestävyyden ja korkean suorituskyvyn mekaanisessa rasituksessa ja tekevät pinnoista ihanteellisia uuden sukupolven joustavan elektroniikan sovelluksiin. Näitä ovat muun muassa puettavat anturit, läpinäkyvät elektrodit ja elektroninen iho.
Lehden fraktaalirakennetta jäljittelevästä materiaalista valmistettu paineanturi kiinnitettiin suoraan robottikäden sormenpäähän kapselointiteipin avulla. Tämä elektroninen iho mahdollisti robottisormen tuntoaistin, sillä paineanturi reagoi kosketukseen. Teknologiaa voidaan hyödyntää myös esimerkiksi proteesien liikkeentunnistuksessa ja ihmisen liikkeiden seurannassa. Kuva: Timo Laukkanen
Fraktaaleja esiintyy paljon luonnossa, esimerkiksi kasvien ja puiden lehdissä. Verrattuna ihmisen tekemiin fraktaaleihin, kuten kirigamiin tai origamiin, lehtiluurankofraktaalit tarjoavat luonnollisesti optimoituja, hierarkkisia ja skaalautuvia rakenteita, jotka ovat myös erinomaisen joustavia, hengittäviä ja läpinäkyviä.
Vaikka lehtiluurangot ovat fraktaalirakenteeltaan erinomaisia, ne eivät ole luonnostaan venyviä, kestäviä tai skaalautuvia kiinteiden mittojensa ja hajoavuutensa vuoksi. Jäljittelemällä näitä luonnollisia kuvioita venyvillä ja rasitusta kestävillä polymeereillä Turun yliopiston tutkijat pystyivät valmistamaan joustavia ja pitkäikäisiä materiaalipintoja, joita on mahdollista tuottaa myös laajamittaisesti.
‒ Olemme onnistuneet yhdistämään luonnon tehokkaat mallit nykyaikaisiin materiaaleihin, mikä avaa uusia mahdollisuuksia joustavalle ja puettavalle elektroniikalle, sanoo väitöskirjatutkija Amit Barua.
Kestävämpää tuotantoa
Jotta lehtiluurankoihin perustuvista polymeeripinnoista saatiin johtavia, tutkijat suihkuttivat hopeasta valmistettuja nanolankoja ohueksi kerrokseksi niiden päälle. Näin pinnan resistiivisyydeksi saatiin noin 20 ohmia. Tämän jälkeen johtavia pintoja testattiin erilaisissa joustavan elektroniikan sovelluksissa: kosketustunnistuksessa, lämmityksessä ja elektronisessa ihossa.
Tutkijoiden kehittämä valmistustekniikka on kestävämpi kuin perinteiset puhdastilaa vaativat menetelmät, sillä se vaatii vähemmän energiaa ja voidaan suorittaa kontrolloitujen ympäristöjen ulkopuolella. Lisäksi hopeananolangat voidaan korvata kestävämmillä johtavilla materiaaleilla riippuen valmistettavasta laitteesta, mikä vähentää ympäristövaikutuksia entisestään.
‒ Hienostuneiden mikrorakenteiden valmistaminen vaatii yleensä puhdastilaa. Uudella biomimeettisellä lähestymistavallamme on mahdollista ohittaa puhdastilateknologioiden tarve monimutkaisia arkkitehtuureja valmistettaessa ja siten osaltaan vähentää hiilidioksidipäästöjä, kertoo Barua.
Suuren mittakaavan tuotannossa voidaan käyttää tietokoneavusteisia suunnittelumalleja (CAD) ja äärellisen elementin menetelmää (FEM) biomimeettisten mallien valmistamiseksi mestarikeräimillä.
Väitöskirjatutkija Amit Barua ja Bodhi-puun lehtiluuranko. Kuva: Timo Laukkanen
Amit Barua kuuluu Turun yliopiston kone- ja materiaalitekniikan laitoksen Materials for Flexible Devices –tutkimusryhmään. Ryhmää johtaa apulaisprofessori Vipul Sharma.
Lue artikkeli:
Biomimetic freestanding microfractals for flexible electronics
Kuvat
Kuva 1: Mikroskooppikuvat lehtiluurangosta ja biomimeettisestä pinnasta
Ylärivillä lähikuvissa Ficus religiosa -kasvin lehtiluurangon rakenne, ja alarivillä lähikuvissa lehden mikrorakennetta jäljittelevä biomimeettinen pinta, joka on valmistettu Nylon 6 polymeerista.
Kuva 2: Robottisormi ja elektroninen iho
Lehden fraktaalirakennetta jäljittelevästä materiaalista valmistettu paineanturi kiinnitettiin suoraan robottikäden sormenpäähän kapselointiteipin avulla. Tämä elektroninen iho mahdollisti robottisormen tuntoaistin, sillä paineanturi reagoi kosketukseen. Teknologiaa voidaan hyödyntää myös esimerkiksi proteesien liikkeentunnistuksessa ja ihmisen liikkeiden seurannassa. Kuva: Timo Laukkanen
Kuva 3: Väitöskirjatutkija Amit Barua ja Bodhi-puun lehtiluuranko. Kuva: Timo Laukkanen
