Hankkeessa oli mukana 5 tutkimusryhmää Tampereen yliopiston kolmesta eri tiekunnasta. Projektiin osallistuneet ryhmät MOL (PAK): Johanna Lahti (koordinaattori), Juuso Toriseva, AUT: Tomas Björqvist, Sanna Siljander, ELT (LFE): Matti Mäntysalo, Jari Keskinen, Hanna Christophliemk, MEI: Tero Juuti ja Jarkko Pakkanen ja BMT: Sampo Tuukkanen ja Arno Pammo.
LFE-ryhmä (Laboratory of Future Electronics)
Tampereen yliopiston Elektroniikan laboratoriossa tutkitaan ja kehitetään elektroniikassa käytettäviä uusia materiaaleja, arkkitehtuureja ja prosesseja. Keskitymme erityisesti painotekniikoiden käyttöön valmistuksessa. Näin voidaan toteuttaa joustavia, taivutettavissa olevia ja venyviä elektroniikkapiirejä erilaisiin käyttökohteisiin, myös sellaisiin, joissa perinteisen elektroniikan käyttö on ollut hankalaa. Pystymme integroimaan perinteisiä elektroniikan komponentteja painettuun elektroniikkaan. Tutkimme myös energian varastointia ja keräämistä esimerkiksi esineiden internetin ja anturijärjestelmien käyttöön. Osaamme valmistaa painotekniikoilla ohutkalvopiirejä. Menetelmämme mahdollistavat aiempaa ympäristöystävällisemmät materiaalit ja valmistustekniikat. Voimme korvat muoveja ja haitallisia kemikaaleja tai harvinaisia metalleja uusilla vaihtoehdoilla.
Tutkimuksemme on tuottanut esimerkiksi puettavia ja iholle asennettavia antureita lämpötilan ja biosignaalien mittaukseen, hyvin vähän energiaa kuluttavia diodeja ja transistoreita, erilaisia painettavia antenneja sekä sähköä varastoivia superkondensaattoreita. Valmiutemme tutkimukseen ovat erinomaiset monipuolisen laitekannan ansiosta. Pystymme demonstroimaan prosesseja ja komponentteja laboratoriossa ja auttamaan niiden tuotantoon saattamisessa.
Twitter: @LFE_TAU
Muita hankkeita linkittyen BioÄlyssä sovellettaviin teknologioihin:
- ECOtronics
- (co-innovation) Sustainable electronics and optics, 10/2019-9/2021
- Linkki: ECOtronics-projekti
- InComEss
- (EU H2020) INnovative polymer-based COmposite systeMs for high-efficient Energy Scavenging and Storage, 2020-2023
- Linkki: InComEss-projekti
- Linkki: Cordis EU Results
- Charisma
- (ITN) Energy autonomous smart sensor label with electrochromic readout, 2019 – 2023
- Linkki: Charisma-projekti
- Smart2Go
- (H2020) Smart wearables for sports and safety, 1/2019- 12/2021
- Linkki: Smart2go-projekti
Nano- ja mikrofibrilloidun selluloosan ryhmä (AUT)
Kiertotalous on tärkeä elementti kestävässä kehityksessä ja tässä yhteydessä maailman yleisin uusiutuva raaka-aine, selluloosa on noussut mahdollistajaksi fossiilisista raaka-aineista valmistettujen materiaalien korvaajaksi. Erityisesti fibrillimuotoon avattu selluloosa eli nanoselluloosa (NC) tai toisella nimikkeellä mikrofibrilloitu selluloosa (MFC) on lujuutensa ja sitoutumiskykyjensä vuoksi ratkaisevassa asemassa, kun siirrytään fossiilisista raaka-aineista biopohjaisiin raaka-aineisiin.
Tieteellinen yhteisö on tuntenut jo pitkään alkeisfibrilleistä muodostuvat selluloosapohjaiset rakenteet mutta niihin käsiksi pääseminen on ollut hankalaa. Turbak kollegoineen onnistui valmistamaan mikrofibrilloitua selluloosaa vuonna 1983 homogenisointiprosessilla ja suojasi sen käyttöä monissa sovelluksissa patentoimalla keksinnön. Tarve ja hyöty ei tuolloin kompensoinut MFC:n korkeita valmistuskustannuksia mutta vuosituhannen vaihteessa tarve oli kasvanut ja kehitys alkoi uudestaan; ensin varovaisesti ja kiihtyen voimakkaasti 2010-lukuun mennessä. Tämänhetkinen tilanne synnyttää uutta tietoa päivittäin, niin MFC:n valmistuksesta, mahdollisuuksista kuin laajamittaisesta teollisesta hyödyntämisestä, joka on alkamassa.
Selluloosafibrillien laajat hyödyntämismahdollisuudet liittyvät fibrillien suureen pituus/leveys –suhteeseen, niiden sisäiseen korkeaan vetolujuuteen ja vahvasti sitoviin reaktiivisiinryhmiin. Tästä syystä MFC sitoo, esimerkiksi vesimolekyylejä painoonsa nähden huomattavan määrän sekä luovuttaa vettä hyvin vastentahtoisesti. Kuivuessaan nano- ja mikrofibrilloitu selluloosa sellaisenaan tai komposiittirakenteen osana muodostaa hyvin tiiviitä, kestäviä ja funktionaalisia rakenteita.
NPM-ryhmä (Nanoscale Phenomena and Measurements) (BMT)
Tampereen yliopiston NPM-ryhmä tutkii vaihtoehtoisten, uusiutuvien materiaalien käyttöä elektroniikassa, anturitekniikassa ja biolääketieteen sovelluksissa. Osaamme valmistaa tasalaatuisia kalvoja luonnonmateriaaleista, kuten nanoselluloosasta [1,2,3,4], käytettäväksi esimerkiksi anturi- tai substraattimateriaaleiksi. Laboratoriostamme löytyy muun muassa materiaalien sähkönjohtavuusmittauksiin ja pietsosähköisten antureiden herkkyysmittauksiin suunnitellut järjestelmät. Laboratoriossamme on laitteistot biomateriaalien dispensio-printtaukseen ja polymeerimateriaalien filamentti-printtaukseen. Kehitämme printatuilla elektrodeilla varustettuja anturirakenteita [5,6] sekä energianlouhintaan [7,8,9] soveltuvia komponentteja. Nanoselluloosa mahdollistaa myös biopohjaista mikrofluidistiikkaa diagnostiikkasovelluksiin [10].
Yhteistyö BioÄlyssä sovellettaviin teknologioihin liittyen:
- University of Aveiro, Portugali, bio-pohjaisien anturimateriaalien kehitys ja mittaus
- By Khon Kaen University, Thaimaa, vaihto-opiskelija Thaimaasta Suomessa tekemässä bakteeriselluloosa-nanopartikkeli komposiittikalvoja pietsoelementeiksi.
- Tampereen yliopisto, Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnan biotekniikan ryhmä, bakteerinanosellun ja tuotannon kehittäminen, tavoitteena kehittää bakteeri, jolla tuottaa jäteliemistä (esim. glyseroli) sellua.
Artikkeliviitteet:
- Tuukkanen, S., ja Rajala, S., Piezoelectricity – Organic and Inorganic Materials and Applications, Chapter 1. Nanocellulose as a Piezoelectric Material, 2018.
- Rajala, S. et al., Cellulose Nanofibril Film as a Piezoelectric Sensor Material, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 24, 15607–15614.
- Mangayil, R. et al., Engineering and Characterization of Bacterial Nanocellulose Films as Low Cost and Flexible Sensor Material, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 22, 19048–19056.
- Hänninen A. et al., Nanocellulose and chitosan based films as low cost, green piezoelectric materials, Carbohydrate Polymers, 2018, 202,Pages 418-424.
- Rajala,S. N. K. et al., Structural and Electrical Characterization of Solution-Processed Electrodes for Piezoelectric Polymer Film Sensors, 2016, IEEE Sensors Journal, 16, 1692-1699.
- Rajala, S. et al., High Bending-Mode Sensitivity of Printed Piezoelectric Poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) Sensors, ACS Omega, 2018, 3, 7, 8067–8073.
- Virtanen, J. et al., Pyrolysed cellulose nanofibrils and dandelion pappus in supercapacitor application, Cellulose, 2017, 24, 3387–3397.
- Tuukkanen, S. et al., Behaviour of one-step spray-coated carbon nanotube supercapacitor in ambient light harvester circuit with printed organic solar cell and electrochromic display. 2016, Sci Rep., 6, 22967.
- Pörhönen, J. et al., Flexible Piezoelectric Energy Harvesting Circuit With Printable Supercapacitor and Diodes, 2014, IEEE Transactions on Electron Devices, 61, 3303-3308.
- Uddin, K.M.A. et al., Disposable Microfluidic Sensor Based on Nanocellulose for Glucose Detection, 2018, Global Challenges, 2019, 3, 1800079.
Paperinjalostus- ja pakkaustekniikan ryhmä (PAK)
Tampereen yliopiston paperinjalostus- ja pakkaustekniikan tutkimusryhmä tutkii ja kehittää ekstruusio- ja dispersiopäällystyksen sekä laminoinnin prosesseja sekä uusia pakkausrakenteita ja –materiaaleja. Tavoitteena on vastata nykypäivän kehityshaasteisiin ja auttaa yhteistyökumppaneitamme kehittämään toimivampia ja taloudellisempia prosessi- ja materiaaliratkaisuja. Nykyisistä kehityshaasteista suurimpia ovat esimerkiksi fossiilipohjaisten materiaalien korvaaminen uusiutuvilla vaihtoehdoilla, raaka-aineiden ja materiaalikulujen vähentäminen ohuemmilla pinnoitteilla sekä uudenlaiset materiaaliratkaisut kuten erilaiset nanorakenteet. Näihin haasteisiin vastaamme tutkimalla erilaisia biopohjaisia materiaaleja ja optimoimalla olemassa olevia prosessointimenetelmiä. Tutkimustyömme tuloksena mahdollistamme uusien ja ominaisuuksiltaan parempien ratkaisujen kehityksen sekä paremman kustannustehokkuuden.
Pilot-linjamme mahdollistaa erilaisten biopohjaisten päällysteiden ekstruusio- ja dispersiokoeajon sekä tulevaisuudessa myös nanoselluloosapäällysteiden valmistamisen. Laboratoriossamme tutkitaan erilaisia materiaali- ja tuoteominaisuuksia monipuolisilla analyysi- ja mittauslaitteillamme. Esimerkkejä tekemistämme analyyseistä ovat erilaiset barrier-mittaukset kuten vesihöyry, happi ja rasva, kuumasaumautuvuus, adheesio-, pinhole- ja pintaenergiatestit. Yhteistyökumppaneitamme ovat paperinjalostus- ja pakkausteollisuuden yritykset, tutkimuslaitokset ja yliopistot sekä raaka-ainevalmistajat.
Tuotekehityksen ryhmä (MEI)
Tampereen yliopiston tuotekehityksen tutkimusryhmä kehittää arvontuoton teoriaa, työkaluja ja menetelmiä, joiden avulla yritykset voivat luoda parempia tuotteita, tuoteperheitä, nopeuttaa tuotekehitysprosessia ja hallita tuotteistoaan. Painotamme tutkimuksessa, opetuksessa ja yrityshankkeissa tuotekehityksen liiketoimintalähtöisyyttä. Ei riitä, että kehitetty tuote on toimiva ja valmistettava kun kilpaillaan muiden toimijoiden kanssa. Tuotteen liiketoiminnallinen tuloksellisuus ja tehokkuus tulee olla samalla viivalla teknisen laadukkuuden kanssa. Tuoteratkaisujen tulee palvella koko liiketoiminnan tarpeita ja tuotteen pitää virrata optimaalisesti tilaustoimitusprosessissa.
Tuotekehityksen tutkimusryhmä tekee tiivistä yhteistyötä teollisuuden kanssa ja rahoituksesta yli puolet tulee yrityshankkeista. Tällä hetkellä ryhmällä on tiedot yli 70 yrityscasesta tuotekehityksen haasteista ja teknisistä ratkaisuista. Tuotekehityksen tutkimus ponnistaa suunnittelutieteen ja tuotannon teorian pohjalta ja kehittää teollisessa ympäristössä käyttökelpoisia 2020-luvun suunnittelumenetelmiä, jotka mahdollistavat paremman tuotteen kehittämisen nopeammin ja virheettömästi. Haemme jatkuvasti uusia ratkaisuja tuotteen arvontuoton pirullisten pulmien (wicked problems) kentässä.