Painopistealueessa yhdistyy huippututkimus ja yhteiskunnallinen merkittävyys. Innovatiiviset materiaalit ja luonnonvarojen hyödyntäminen ovat aina olleet ja tulevat aina olemaan keskeisiä tekijöitä yhteiskunnassa. 

Matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa tehtävä molekyyli- ja nanorakenteiden perustutkimus on korkeatasoista käsittäen niin näiden materiaalien valmistamisen kuin niiden rakennetutkimuksen. Rakenteita kontrolloimalla tuotetaan uusia funktionaalisia materiaaleja, mm. sellaisia älykkäitä materiaaleja, jotka sekä aistivat että reagoivat ympäristönsä muutoksiin. Tavoitteena on vuorovaikutusketjun ”valmistus ↔ rakenne ja koostumus ↔ ominaisuudet ↔ toiminnallisuus” syvällinen ymmärrys ja hallinta.

ml-materiaalit2

 

Tutkimusmenetelmät ulottuvat laskennallisesta kvanttitason perustutkimuksesta käytännön sovelluksiin. Tutkimusta tehdään kampuksen omien laitteiden lisäksi suurten kansainvälisten organisaatioiden, eurooppalaisen synkrotronisäteilylaboratorion (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF) ja Euroopan atomienergiayhteisön (European Atomic Energy Community, Euratom) laitteistoilla.

Molekulaarisista materiaaleista keskeisimpiä ovat synteettiset polymeerit ja biomolekyyleista luonnon polymeerit, mutta myös muita biomolekyylejä hyödynnetään enenevässä määrin. Hybridimateriaaleissa yhdistetään molekyylitasolla eri materiaalityyppejä, esimerkiksi orgaanisia polymeerejä ja epäorgaanisia yhdisteitä. Nanorakenteisista materiaaleista tutkituimpia ovat ohutkalvot, erityisesti atomikerroskasvatus (ALD, atomic layer deposition)–menetelmällä valmistetut, mutta viime aikoina nanokuidut ja muut yksidimensionaaliset rakenteet ovat saaneet lisähuomiota.

Maapallon nopea väestönkasvu ja samanaikainen elintasonnousu perustuvat maankamarasta saatavien luonnonvarojen: pinta- ja pohjavedet, energiavarat, mineraali- ja kiviainekset, käyttöön. Tutkimuksessa etsitään uusia menetelmiä etsiä, hyödyntää ja kierrättää maa- ja kallioperästä saatavia luonnonvaroja. Kestävällä kehityksellä, joka on vahvasti esillä painopistealueen teemoissa, pyritään tyydyttämään nykyisen yhteiskunnan tarpeet tekemättä myönnytyksiä tulevien sukupolvien kustannuksella. Materiaalien ja energian tuotannon suhteen tämä tarkoittaa erityisesti sellaisia ratkaisuja, jotka turvaavat ympäristön tilan säilymisen sekä luonnonvarojen riittävyyden.

Tutkimuksessa etsitään uusia tapoja hyödyntää uusiutuvia luonnonvaroja raaka-aineena niin materiaalien, lääkeaineiden kuin muidenkin kemiallisten tuotteiden valmistuksessa sekä energiantuotannossa. Kestävän kehityksen materiaalien tutkimukseen kuuluvat biomateriaalien lisäksi mm. ympäristöä säästävillä prosesseilla tehtävät materiaalit, harvinaisten alkuaineiden korvaaminen yleisemmillä alkuaineilla, kierrätysmateriaalit, sekä ratkaisut, jotka joko vähentävät materiaalikulutusta tai pidentävät materiaalien elinikää.

Energiateknologian materiaalien tutkimus painottuu uusiutuvien energialähteiden hyödyntämiseen (fuusioreaktorit, aurinkokennot ja polttokennot). Tutkimus käsittää myös perinteisen ydinvoiman käytön turvallisuutta lisäävät materiaalit, kuten esimerkiksi radioaktiivisia nuklideja talteen keräävät ioninvaihtomateriaalit.

Tutkimushankkeissa on mukana mm. kaksi valtakunnallista huippuyksikköä ”Laskennallisen molekyylitutkimuksen huippuyksikkö” ja ”Funktionaaliset materiaalit” sekä ”Distinguished Professor Programme- (FiDiPro)”-ohjelmalla palkattu professori.