2Kestävien ja energiatehokkaiden teknologioiden kasvava kysyntä on lisännyt kiinnostusta älykkäisiin materiaaleihin, jotka voivat suorittaa useita toimintoja samanaikaisesti. MSc Sachin Kochrekar kehitti väitöstutkimuksessaan materiaaleja, jotka voivat sekä vaihtaa väriä että varastoida sähköenergiaa. Teknologiaa voisi tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi energiaa varastoivissa ja itsestään tummuvissa älyikkunoissa.

Tutkimuksessa kehitettiin uudenlaisia ohuita porfyriineihin perustuvia polymeerikalvoja. Porfyriinit ovat luonnossa laajasti esiintyviä molekyylejä, joita löytyy esimerkiksi klorofyllistä ja hemoglobiinista.

– Esimerkiksi klorofyllissä esiintyvän porfyriinirakenteen ansiosta kasvi pystyy ottamaan talteen energiaa auringonvalosta, fotosynteesin avulla. Tämän luonnollisen molekyylin kyky siirtää elektroneja ja muuttaa tilaansa hallitusti on kiinnostava lähtökohta myös meille materiaalitutkijoille, kertoo Kochrekar tiedotteessa.

Väitöstutkimuksessa uudenlaisia kalvorakenteita rakennettiin kahdella eri tavalla: hybridirakenteena yhdessä sähköä johtavan materiaalin kanssa, sekä yksinkertaisemmalla menetelmällä, jossa porfyriinit liitettiin toisiinsa siltamolekyylin avulla polymeerikalvoksi ilman ylimääräistä sähköä johtavaa rakennetta.

Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin metallin vaikutusta materiaalin ominaisuuksiin. Porfyriinien keskelle sijoitettiin joko nikkeliä, sinkkiä tai ei lainkaan metallia.

Pienillä rakenteellisilla muutoksilla havaittiin olevan merkittävä vaikutus materiaalien toimintaan.

Tulokset osoittivat, että nikkelipohjainen kalvo pystyy vaihtamaan väriään kolmen eri värin välillä, kun taas sinkkipohjainen ja metalliton kalvo vaihtoivat väriään kahden tilan välillä.

Kaikki materiaalit reagoivat nopeasti, alle kahdessa sekunnissa, näyttivät selkeän visuaalisen kontrastin ja säilyttivät värimuutoksen myös virran katkaisun jälkeen.

Kalvoja testattiin myös energian varastointiin vesipohjaisessa elektrolyytissä, joka on turvallisempi ja ympäristöystävällisempi kuin yleisesti käytetyt vaihtoehdot. Kyseessä on tiettävästi ensimmäinen tutkimus, jossa porfyriinipohjaisia polymeerikalvoja käytetään sähkökromisina superkondensaattoreina vesipohjaisessa elektrolyyttijärjestelmässä.

Kaikki kolme materiaalia osoittivat hyviä energian varastointiominaisuuksia, mikä tekee niistä lupaavia materiaaleja tulevaisuuden monitoimisiin energiaratkaisuihin.

– Materiaalit ovat edullisia valmistaa, helppoja käsitellä ja hyvin muokattavissa ja integroitavissa monenlaisiin sovelluksiin, myös joustaviin ja venyviin alustoihin. Tulevaisuudessa näitä materiaaleja voisi hyödyntää vaikkapa anturiteknologiassa, taipuisassa elektroniikassa, älyvaatteissa ja aurinkoenergiaratkaisuissa. Esimerkiksi uudenlaiset älyikkunat voisivat samaan aikaan varastoida aurinkoenergiaa ja tummua kirkkaassa auringossa, mikä vähentäisi rakennuksen jäähdytystarvetta, kertoo Kochrekar.

Kochrekarin väitöstutkimus on tehty professori Carita Kvarnströmin materiaalikemian tutkimusryhmässä, joka on osa Turun yliopiston kemian laitoksen tutkimuslinjaa, jossa on tutkittu ja kehitetty orgaanisia väriä vaihtavia materiaaleja, eli sähkökromisia materiaaleja, jo vuosikymmenen ajan. Tutkimusta on tukenut Kiinteistösäätiö. Näiden uudenlaisten materiaalien sovelluskohteita ovat esimerkiksi älyikkunat ja erilaiset lasipinnat, auto- ja ilmailuteollisuudessa käytettävät häikäisyä estävät taustapeilit ja kattolasit, näyttöteknologiat kuten mainostaulut ja silmälasilinssit, sekä energianvarastointilaitteet, joissa materiaalit muuttavat näkyvästi väriään laitteen varaustason ilmaisemiseksi. Lisäksi materiaaleja voidaan hyödyntää kemiallisten sensorien visuaalisina indikaattoreina, jolloin väri muuttuu altistuttaessa tietyille kaasuille tai biologisille merkkiaineille.

Väitöskirja Porphyrin-Based Electroactive copolymers: From Electropolymerization to Energy and Environmental Applications tarkastetaan julkisesti Turun yliopistossa torstaina 4. kesäkuuta kello 12 (Turun yliopisto, Quantum, auditorio, Vesilinnantie 5).

Vastaväittäjänä on professori Eunkyoung Kim (Yonsei University, Seoul, Etelä-Korea) ja kustoksena professori Carita Kvarnström (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on kemia.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)