Tutkimusaiheena Millennium-palkittu atomikerroskasvatus

Nykypuhelimien suorituskyky pohjautuu suomalaiskeksintöön, josta puolijohdeteollisuus on tullut riippuvaiseksi. Mikko Ritala kehittää ALD-menetelmää eteenpäin Tuomo Suntolan ja Markku Leskelän jalanjäljissä.

Mikko Ritala tuli opiskelijana Helsingin yliopistoon vuonna 1991, kun professori Markku Leskelä oli käynnistämässä aivan uutta tutkimusta. Leskelä halusi syventyä Tuomo Suntolan kehittämään atomikerroskasvatukseen eli ALD-menetelmään.

Seuraavana vuonna kemian laitos sai ensimmäisen ALD-laitteen, jolla Ritala teki väitöstutkimuksensa. Professorina hän jatkaa yhä atomikerrosten parissa. Tutkimus Helsingin yliopistossa on jatkunut jo kaksikymmentäseitsemän vuotta.

”Tässä on yhä aika paljon savottaa tehtävänä. Avoimia kysymyksiä tuntuu olevan paljon enemmän kuin aloittaessani vuonna 1991”, Ritala naurahtaa.

Tekniikan tohtori Tuomo Suntola palkittiin ALD-keksinnöstään toukokuussa 2018 miljoonan euron Millennium-teknologiapalkinnolla. Keksintö syntyi jo 1970-luvulla litteiden elektroluminesenssinäyttöjen valmistukseen.

Kului vuosikymmeniä ennenkuin menetelmä löi itsensä läpi teollisuudessa. Tänä vuonna aika oli kypsä teknologiapalkinnolle, koska puolijohdeteollisuus on tullut riippuvaiseksi Suntolan keksinnöstä. ALD:tä käytetään mikropiirien valmistukseen matkapuhelimien mikropiirien valmistukseen litografisten menetelmien ohella, ja juuri Suntolan keksintö on mahdollistanut esimerkiksi nykypuhelimien suorituskyvyn.

”ALD:n ansiosta piireille voidaan sijoittaa suuri määrä komponentteja, ja samalla laskentateho sekä muistikapasiteetti kasvavat huomattavasti. Muitakin menetelmiä tarvitaan mutta ALD on keskeinen”, Mikko Ritala kertoo.

Puolijohdeteollisuus on menetelmän suurkäyttäjä mutta sovelluksia on muillakin aloilla. Jopa koruja ja kolikoita on pinnoitettu Suntolan menetelmällä.

ALD:tä valmistuksessa hyödyntävien tuotteiden markkinat ovat nykyisin 500 miljardin euron luokkaa ja ALD-laitteidenkin markkinat yhdestä kahteen miljardia euroa.

ALD-laitteessa halutulle pinnalle kuten piikiekolle kerrostetaan atominpaksuisia kerroksia päällekkäin. Atomit peittävät pinnan kauniisti, asettuen vieri viereen, ja uusi kerros valmistetaan edellisen päälle.

Pinnoitettava kappale asetetaan reaktoriin, johon syötetään ensimmäinen lähtöaine höyrytilassa. Molekyylit kiinnittyvät kappaleen pintaan, ylimäärä lähtöainetta huuhdellaan pois ja toinen lähtöaine syötetään kammioon. Pinnassa kiinni olevat molekyylit reagoivat toisen lähtöaineen kanssa. Tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa molekyylinosia irtoaa pois.

Reaktion jälkeen pintaa peittää tasainen kerros haluttua yhdistettä. Reaktiovaiheita voidaan toistaa loputtomasti ja kasvattaa pinnoitteen paksuutta.

Klassisessa esimerkissä reaktoriin on syötetty sinkkikloridia, joka reagoi rikkivedyn kanssa siten että syntyy sinkkisulfidia, joka peittää lasisubstraatin pinnan.

Mikko Ritala työskentelee Kumpulassa Helsingin yliopiston kemian laitoksella.

ALD:n tutkimus on aktiivista

Kumpulassa Helsingin yliopiston kemian laitoksella ALD-laitteita on laboratoriossa vieri vieressä, mutta silti kymmenelle laitteelle on suorastaan jonoa. ALD on ollut aiheena ainakin kahdessakymmenessä väitöskirjassa, ja samalla yliopisto on kouluttanut alan osaajia Suomeen.

 

Kuuntele Mikko Ritala yksi: Millainen on ALD-laite ja miten atominpaksuisia kerroksia rakennetaan?

Tutkijat selvittävät, miten kemian avulla voidaan valmistaa erilaisia kalvoja eri tarpeisiin. Kemiallisten reaktioiden mekanismejakin on tutkittu käyttäen apuna kvartsikidemikrovaakaa ja massaspektrometriaa.

”Kun kalvo kasvatetaan kvartsikidemikrovaa´an päälle, mikrovaaka näyttää suoraan, kuinka kalvon massa muuttuu reaktion edetessä. Kun pintaan tuodaan lähtöainemolekyyli, kalvon massa kasvaa, ja kun kemiallinen reaktio tapahtuu ja molekyylinosia irtoaa, massa hiukan pienenee. Kun tätä toistetaan useita kertoja, massanmuutoksista voidaan päätellä, missä muodossa lähtöainemolekyyli tarttui pintaan”, Mikko Ritala kertoo.

”Massaspektrometrilla puolestaan nähdään, millaisia yhdisteitä kaasufaasi sisältää syklin eri vaiheissa, ja tästä nähdään, missä vaiheessa mitkäkin molekyylinosaset irtosivat lähtöaineesta”.

Helsingin yliopiston kemian laitoksella on  kymmenen ALD-laitetta, mutta silti laitteille on  jonoa.

Uusia haasteita ALD-tutkimuksessa

ALD:ssa kalvo muodostuu pinnoitettavan kappaleen kaikille pinnoille. Tästä on mikroelektroniikassa joskus jopa haittaa, koska kalvo joudutaan jatkotoimenpiteitä varten poistamaan osasta pintaa.

”Poistaminen litografialla on varsin kallista, työlästä ja vaatii erittäin suurta tarkkuutta, kun komponenttien viivanleveydet ovat alle 10 nanometriä. Kukin kalvokerros täytyy myös linjata toisten kalvokerrosten suhteen jopa yhden nanometrin tarkkuudella, joten epäonnistumisen riski on suuri”, Ritala kertoo.

Niinpä tutkijat etsivät konsteja, joilla ALD-pinnoite kasvaa vain sellaisiin pinnan osiin, joissa se on tarpeen.

”Kun pinta sisältää eri materiaaleja kuten piitä, eristeoksidia ja metallia, niin tavoitteena on kasvattaa ALD-kalvo vain yhdelle näistä tarpeen mukaan”.

Kemistit etsivät nyt sellaisia lähtöaineita, jotka reagoivat vain halutun pinnanosan kanssa. Osa pinnasta voidaan myös passivoida, jolloin se ei lainkaan reagoi lähtöaineiden kanssa.

Jutun toimitus ja valokuvat: Sisko Loikkanen

Kuuntele Mikko Ritala kaksi: Miten paikkaselektiivisyys toteutetaan?

Kuuntele Mikko Ritala kolme: Uusia tutkimussuuntia ovat orgaaniset reaktiot ja erilaisten hybridimateriaalien kerrostaminen.

Löytyisikö pihkasta uusi antibiootti?

Jo kansanperinteestä tiedetään, että pihka tappaa bakteereita ja ehkäisee tulehduksia. Pihkalla on hoidettu haavoja jo vuosisatoja, joten kenties siitä löytyy uusi antibiootti.

Professori Jari Yli-Kauhaluoma Helsingin yliopistosta on sen verran pihkassa pihkaan että on ryhmineen jo vuosia syventynyt pihkan kemiaan.

”Halusimme penkoa pihkan yhdisteitä, jotka tuhoavat stafylokokkibakteereja ja selvittää, voisiko niistä kemian avulla muokata vielä tehokkaampia”, Yli-Kauhaluoma kertoo.

Tutkimuksen tavoitteena on löytää uusi antibioottiaihio. Uusille antibiooteille on hurja tilaus, koska osa tauteja aiheuttavista bakteereista on muuttunut vastustuskykyisiksi käytössä oleville antibiooteille.

”Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana on tullut markkinoille vain kaksi rakenteeltaan uutta antibioottiaihiota. Lääketeollisuus ei ole investoinut juurikaan niiden kehittämiseen, mikä johtuu siitä, että potilas ei tuota tulovirtaa lääkeyhtiölle infektiosta parannuttuaan”.

Täällä tutkitaan pihkan kemiaa.

Dehydroabietiinihappo osoittautui hyväksi lähtöaineeksi

Havupuupihkalle tyypillisten haihtumattomien yhdisteiden, abietiinihapon ja dehydroabietiinihapon on todettu tuhoavan bakteereiden muodostamaa biofilmiä.

Ne eivät myöskään ole nisäkässoluille myrkyllisiä.

Yli-Kauhaluoman tutkimusryhmä päätti tutkia, voiko niistä kenties kehittää synteesikemian konstein vieläkin tehokkaampia bakteerien tuhoajia. Kahdesta vaihtoehdosta jatkojalostukseen valikoitui dehydroabietiinihappo parempien ominaisuuksiensa vuoksi.

”Se on suhteellisen pysyvä, sitä on helppo käsitellä ja muokata kemiallisesti. Myös mikrobiologisissa kokeissa sen teho osoittautui lupaavaksi stafylokokkibakteeria vastaan”, Yli-Kauhaluoma perustelee.

Ryhmässä tiedettiin, että osa antimikrobisista peptideistä sisältää rakenneosanaan D-alaniini-nimistä aminohappoa. Niinpä tutkijat tekivät hybridimolekyylejä, amidijohdannaisia, antamalla dehydroabietiinihapon reagoida yksinkertaisten aminohappojen tai vaihtoehtoisesti erilaisten luonnollisten tai keinotekoisten dipeptidien kanssa.

”Iloksemme havaitsimme, että jotkut näistä hybridimolekyyleistä olivat alkuperäistä dehydroabietiinihappoa tehokkaampia stafylokokkibakteeria ja sen muodostamaa biofilmiä vastaan”.

Luonnossa, kuten ihmiselimistössä bakteerit muodostavat suojakseen biofilmiä, jonka läpi antibiootti ei pääse tunkeutumaan. Tuttu esimerkki biofilmistä on hampaiden pinnalle kertyvä plakki. Biofilmiä voi syntyä myös tekonivelien päälle.

”Muutamat hybridimolekyyleistämme tuhosivat stafylokokkibakteerin muodostaman biofilmin lähes sataprosenttisesti ja estivät sitä kasvamasta tai muodostumasta uudelleen”, Yli-Kauhaluoma iloitsee.

Hybridimolekyylien soveltuvuutta biofilmien tuhoamiseen on jo tutkittu Farmasian tiedekunnan farmaseuttisen biologian osastossa. Yli-Kauhaluoman ryhmässä taas keskitytään parantamaan hybridimolekyylien ominaisuuksia kuten tehoa, turvallisuutta ja liukoisuutta.

”Voimme parantaa valmistettujen aineiden liukoisuutta kehittämällä formulaatioita tai käyttämällä nanopartikkeleita tai mikronointia”.

Synteesituote

Antibioottiaihioita kartoitetaan jätevesiprosesseista ja kompostista

Perinteisesti uusia antibiootteja on etsitty luonnosta, kuten maanäytteistä, sädesienten tuottamista sekundäärimetaboliiteista, homeista ja pieneliöistä, mutta suurelta osin luonto on edelleenkin tässä suhteessa kartoittamaton aarreaitta.

”Syvän meren organismeja, merten pieneliöitä, bakteereita ja muita mikrobeja tunnetaan varsin vähän. Ei tiedetä, millaisia sekundäärimetaboliitteja tai pienmolekyylisiä yhdisteitä ne tuottavat ja mitkä niistä olisivat antibioottisesti hyödynnettäviä”, Yli-Kauhaluoma pohtii.

Aivan uusi aluevaltaus antibiootin etsinnässä ovat jätevesiprosessit ja komposti. Kuulostaa yllättävältä mutta Suomen Akatemia rahoittaa tutkimushanketta, jossa syynätään antibioottisesti vaikuttavia aineita kunnallisen jätevedenpuhdistamon prosesseista.

Kompostit sisältävät erilaisia bakteereita ja muita mikrobeja, jotka kilpailevat elinoloista keskenään ja tuottavat kemiallisia aineita kilpailijoidensa tuhoamiseksi. Ehkäpä niiden joukossa on myös uuden antibiootin aihio.

Kuuntele PODCAST/Professori Jari Yli-Kauhaluoma kertoo jätevesiprosessin ja kompostin tutkimushankkeesta.

Jutun toimitus ja valokuvat: Sisko Loikkanen

Professori Jari Yli-Kauhaluoma kertoo jätevesiprosessin ja kompostin tutkimushankkeesta.

Puisia pesualtaita Suomesta

Suomalaista puuta ei ensi kuulemalta mieltäisi käytettäväksi kylpyhuoneiden ja keittiöiden pesualtaiden materiaalina. Woodio Oy muuttaa ajattelua ja perinteisiä käsityksiä puukomposiitista tehdyillä design-tuotteillaan.

Helsingin yliopistossa kemiasta tohtoriksi väitellyt Petro Lahtinen istuskeli pikkujouluissa kemian laitoksella kahvipöydän ääressä opiskelijatoverinsa Antti Pärssisen kanssa. Pikkujoulutunnelmissa Pärssinen sulatteli muovia astiassa ja alkoi huvikseen sekoitella sen joukkoon Lahtisen tutkimaa puuhaketta kahvikupissa. Seos oli jäykähköä ja kestäväntuntuista. Tästä satunnaisesta episodista lähti tapahtumavyöry, joka johti Onbone-yrityksen perustamiseen ja menestyneeseen tuotteeseen, puukipsiin.
Noista päivistä Petro Lahtinen on ehtinyt perustaa jo toisen yrityksen Woodio Oy:n, jonka toimitusjohtajana hän työskentelee. Woodio valmistaa lavuaareja ja muita vesikalusteita kylpyhuoneeseen puukomposiitista.
Podcastissa Petro Lahtinen muistelee Onbone-yrityksen alkuvaiheita ja kehitystä ja kertoo uudesta yrityksestään Woodiosta.

Haastattelija: Sisko Loikkanen

Petro Lahtinen muistelee Onbone-yrityksen alkuvaiheita