Nanoselluloosamateriaalit tulevaisuuden tietoliikennetekniikan sovellutuksissa

Elektroniikkajäte on maailman nopeimmin kasvava jätevirta. Samaan aikaan elektroniikan materiaaleilta vaaditaan uusia ominaisuuksia ja toiminnallisuuksia, ja niiden tulisi täyttää kestävän kehityksen vaatimukset. Tässä väitöstutkimuksessa tarkasteltiin, voidaanko puupohjaisia materiaaleja, erityisesti nanoselluloosaa, hyödyntää tulevaisuuden kestävissä tietoliikennetekniikan komponenteissa ja laitteissa.

Selluloosa on maailman yleisin biopolymeeri ja se on uusiutuva, myrkytön ja kevyt materiaali. Kun selluloosa hajotetaan nanokokoisiksi kuiduiksi, sen ominaisuudet voidaan räätälöidä hyvin erilaisiin käyttötarkoituksiin. Väitöskirjassa osoitettiin, että nanoselluloosasta voidaan valmistaa erilaisia tulevaisuuden tietoliikennetekniikan toiminnallisia rakenteita, kuten filmejä tai vaahtoja, joiden sähköisiä ominaisuuksia voidaan muokata.

Tutkimuksen ensimmäisessä osatutkimuksessa kehitettiin huokoisia, ultrakevyitä nanoselluloosa-MXene-aerogeelirakenteita sähkömagneettisen säteilyn häiriösuojaukseen (EMI-suojaus). Tulokset osoittivat, että materiaalin rakenteella, erityisesti pinnan tiiviydellä ja huokosrakenteen suuntautumisella, oli suurempi vaikutus suojauksen tehokkuuteen kuin pelkällä johtavan aineen määrällä.

Toisessa ja kolmannessa osatutkimuksessa kehitettiin nanoselluloosaan ja vanadiinidioksidiin perustuvia lämpötilan avulla säädettäviä filmejä ja demonstroitiin niiden toimivuutta älykkäissä pinnoissa (Reconfigurable intelligent surface, RIS). Näiden materiaalien sähköisiä ominaisuuksia voitiin muuttaa hallitusti lämpötilan funktiona, mikä mahdollistaa tietoliikennesignaalien dynaamisen ohjaamisen.

Neljännessä osatutkimuksessa kehitettiin täysin puupohjaisten Fresnel linssiantenni korkeille THz-taajuuksille. Antennit valmistettiin nanoselluloosan ja ligniinipohjaisen biohiilen yhdistelmistä. Tutkimuksessa osoitettiin, että puupohjaiset antennit voivat saavuttaa erittäin korkean suuntaavuuden ja jopa ylittää vastaavien metallisten referenssiantennien suorituskyvyn korkeilla taajuuksilla.

Kokonaisuudessaan väitöstutkimus osoittaa, että puupohjaiset nanoselluloosamateriaalit eivät ole pelkästään ekologinen materiaalivaihtoehto, vaan ne voivat tarjota aidosti uusia toiminnallisia etuja tulevaisuuden tietoliikennetekniikassa. Samalla tutkimus avaa näkymiä metsäteollisuuden korkeamman jalostusasteen tuotteisiin, joissa pienemmällä raaka-ainemäärällä voidaan tuottaa enemmän lisäarvoa.