Kemistit ratkaisevat isoja ympäristöongelmia

Mikä ihme on ionineste ja mitä sillä voi tehdä? Ainakin vaatekuitua, liimatonta liimaa ja mikromuovien korvaajia, Helsingin yliopiston kemiantutkijat kertovat.

Orgaanisen kemian professori Ilkka Kilpeläinen tarjoaa kahta neliskanttista puupalaa.

— Kokeile, ei haise millekään muulle kuin puulle.

Ei muuten haisekaan. Tieto on tärkeä, sillä vielä vähän aikaa sitten palikat olivat tiukasti yhdessä. Jos yhdistämiseen olisi käytetty liimaa, sen tuntisi nenässään. Nämä oli kuitenkin liimattu yhteen liimattomasti. Se onnistui Kilpeläisen tutkimusryhmän Kumpulassa kehittämillä ioninesteillä.

Näin liitos onnistuu: puun pinnalle sivellään ioninestettä, palat puristetaan yhteen ja pannaan uuniin. Oikeassa paineessa ja lämpötilassa ionineste hajoaa takaisin haihtuviksi lähtöaineikseen, jotka voidaan kerätä talteen tiivistämällä. Ionineste ikään kuin tislataan pois puukappaleiden välistä.

Saumaa ei ole, vaan liitoskohta näyttää samalta kuin rungon vuosirengas.

Kun puupalat otetaan pois uunista, ne ovat tiukasti kiinni toisissaan. Ionineste on liuottanut palojen pinnalta selluloosaa ja ligniiniä. Kun liuotin on otettu pois, puupalat ovat sulautuneet toisiinsa.

— Palikoissa ei ole saumaa, vaan ne ovat yhtä jatkumoa. Mikroskooppikuvissa liitoskohdan poikkileikkaus näyttää ihan samalta kuin vuosirengas, Kilpeläinen sanoo.

Ioncell-kuitu voi mullistaa vaatetuotannon

Kilpeläisen ryhmä on ollut viime vuosina poikkeuksellisen paljon julkisuudessa: kemistien kehittämän ioninesteen avulla on kyetty valmistamaan Ioncell-F-tekstiilikuitua selluloosasta. Kestävästä Ioncell-F-kuidusta on povattu tekstiiliteollisuuden mullistajaa. Vaatteita voisi jatkossa valmistaa vaikka jätepaperista — ja huomattavasti ympäristöystävällisemmin kuin vettä rohmuavasta puuvillasta tai myrkyllistä rikkihiiltä vaativasta viskoosista.

Aalto-yliopiston ja metsäteollisuuden kanssa toteutettu hanke on jo siinä vaiheessa, että tekeillä on pilottitehtaita. Marimekko on ollut mukana kehittelyvaiheessa ja testannut kuitua omissa tuotteissaan. Ioncell nappasi Global Change Award -palkinnon vuonna 2016.

Vaatteita voi valmistaa jätepaperista ja vaneria puhtaasta sahajauhosta.

— Puun liimaton liimaaminen voi kuitenkin olla vielä kuidun valmistustakin merkittävämpi saavutus, Kilpeläinen uskoo.

Keksintö mahdollistaa esimerkiksi vanerin valmistuksen pelkästä sahajauhosta ilman perinteistä formaldehydi-fenolihartsia.

Selluloosahelmet korvaavat mikromuovit

Tähänkään ioninesteiden ihmeet eivät pääty. Kumpulan kampuksella tutkitaan mahdollisuuksia korvata suihkusaippuoiden, hammastahnojen ja puhdistusvoiteiden mikromuovit saman asian ajavilla, biohajoavilla selluloosahelmillä.

Mikromuovit ovat viheliäinen haitta vesistöissä, joten korvaajille olisi suuret markkinat.

Matti Leskinen tekee graduaan, mutta tuloksia onkin koossa niin, että hän on tullut tehneeksi suurimman osan väitöskirjastaan, Kilpeläinen esittelee nuoren kollegansa orgaanisen kemian laboratoriosta.

Leskinen alkoi gradutyönään valmistaa ioninesteiden avulla erikokoisia selluloosapartikkeleita, mahdollisia mikromuovihelmien korvaajia.

— Projekti lähti hyvin käyntiin: heti alkoi tulla esiin mielenkiintoisia, uudenlaisia tuotteita melkein kuin liukuhihnalta, Leskinen kertoo.

Osa selluloosahelmistä on magneettisia.

Erilaisia selluloosahelmiä on jo parissasadassa näytepurkissa. Jotkut on värjätty elintarvikeväreillä, toisten sisällä on magnetiittipölyä, mikä tekee helmistä magneettisia. Erilaisilla valmistus- ja kuivausmenetelmillä samasta selluloosasta saadaan helmiä, joista yksien tiheys on 0,04, toisten 1,3 grammaa/kuutiosentti — ero on siis yli 30-kertainen.

— Tämä on välillä tällaista pellepeloton-kikkailua.

3D-tulosteita ioninesteistä ja selluloosasta?

Yksi orgaanisen kemian laboratorion kokeiluista liittyy ioninesteiden ja selluloosaan käyttämiseen 3D-tulostuksessa. Selluloosasta voisi ainakin periaatteessa tehdä melkein kaiken minkä muovistakin.

— Meillä on jo jonkinlainen ongelma siitä, mihin keskittyä. Ioninesteet ovat avanneet mahdollisuuksia sinne, tänne ja tuonne, Kilpeläinen hehkuttaa.

Ioninesteet eli ioniset liuottimet ovat sadan asteen alapuolella sulavia suoloja, jotka on tunnettu kemian alalla yli sata vuotta. Aluksi ioninesteitä ei pidetty tärkeinä, koska niitä ei saatu kiteytymään. Kiteinen aine tarkoitti varhaisille kemisteille yleensä puhdasta ainetta, toisin kuin nesteseos, jonka koostumus voi olla mitä vain.

Kiteytymättömät suolat ovat saattaneet tuntua suorastaan hyödyttömiltä. Selluloosaan ja muuhun biomassaan ioninesteitä alettiin kokeilla vasta 2000-luvun alussa.

Harmillisesti kellastuva paperi innosti tutkimaan

Kilpeläinen tutki 2000-luvun alkupuolella paperista eristettyä ligniiniä. Sitä on muun muassa puissa sidosaineena. Ligniiniä ei yleensä saada sellunkeitossa kokonaan pois, minkä takia paperi kellastuu valossa.

Kilpeläisen ryhmä yritti tutkia, mikä on ligniinin väriaineiden kemiallinen rakenne, mutta mikään käytössä olleista liuottimista ei liuottanut ligniiniä tarpeeksi hyvin. Ryhmä oli jo valmis jättämään selluloosan useiden epäonnistumisten jälkeen.

— Kokeilimme melkein kaikkea ja melkein heitimme kirveen kaivoon. Palasimme aiheen pariin, kun näimme, että jotkut olivat kokeilleet selluloosan liuottamista ioninesteillä. Näihin liukenivat myös meidän ligniininäytteemme.

Tutkijoilta ei kestänyt kauan todeta, että jos ioninesteellä voi liuottaa selluloosaa ja ligniiniä, sillä voi liuottaa myös puuta.

— Se oli lähtölaukaus meidän työllemme, Kilpeläinen kertoo.

Ioninesteet voi kierrättää

Ioninesteillä on kemistin kannalta monia hyviä puolia: niillä on paitsi hyviä liuotusominaisuuksia myös matala höyrynpaine eli ne eivät yleensä syty tai haihdu helposti. Se tekee niistä moneen muuhun yhdisteeseen nähden vaivattomia käyttää.

Ioninesteet eivät ole Kilpeläisen ryhmän yksityisomaisuutta, vaan niitä tutkitaan ympäri maailmaa. Erityisiä Kumpulan kemistien käyttämistä ioninesteistä tekee niiden kierrätettävyys.

Kilpeläisen ryhmän kehittämiä ioninesteitä ei jää jäljelle liuotettuun materiaaliin — selluloosaan — eikä sitä kulu käytännössä ollenkaan itse liuotusprosessissa.

— Olemme tietoisesti lähteneet kehittämään vain sellaisia yhdisteitä, joiden tiedämme olevan kierrätettäviä. Selluloosaa liuottavat ja kierrättävät ioninesteet ovat usein meiltä kotoisin, Kilpeläinen toteaa.

Teollisuus kiinnostui tutkijoiden työstä

Tehokkuus, ympäristöystävällisyys, myrkyttömyys ja kierrätettävyys ovat tehneet Kilpeläisen ja kumppanien kehittämistä ioninesteistä houkuttelevia myös kaupallisesti. Ne eivät ole yhtä halpoja kuin perinteiset liuottimet, mutta asiantuntijoiden mukaan esimerkiksi Ioncell-F-tekstiilikuitu on paitsi kekseliäs myös kilpailukykyinen.

Uusi liuotin ei ole kuluerä vaan investointi.

— Kokonaisprosessin taloudellisuus riippuu siitä, miten hyvin liuotin kierrätetään. Jos se voidaan kierrättää lähes täysin, se ei ole enää kulu vaan investointi.

Käytännössä kemiassa mikään ei toimi aivan sataprosenttisesti, mutta Ioncellin ionineste pääsee hyvin lähelle.

— Onnistumiset ovat herättäneet teollisuudessa mielenkiintoa, Kilpeläinen sanoo.

Liimattomasti liimatut kitarat maailman lavoille?

Teollisuusyhteistyö ei kuitenkaan tarkoita palvelututkimusta, Kilpeläinen alleviivaa. Tutkijat eivät ota vastaan toimeksiantoja, mutta ovat valmiita kokeilemaan, mihin heidän perustutkimustaan voisi soveltaa. He voivat olla joskus itsekin aktiivisia.

— Pitää pystyä katsomaan omaa tutkimustaan siinä roolissa, että onko siitä jotain hyötyä
jollekin. Jos on, jatko ei välttämättä ole kuin parin puhelinsoiton päässä — että kiinnostaako teitä?

Tuore yhteistyö suomalaisen kitaravalmistaja Versoulin kanssa lähti tällaisesta aloitteesta. Liimattomasti liimattuja kitaroita saattaa pian olla maailmanluokan kitarasankarien kainalossa. Versoulin kitaroita ovat aiemmin ostaneet esimerkiksi The Rolling Stonesin Ronnie Wood ja The Whon Pete Townshend.

Liimausmenetelmän käyttäminen kansainvälisesti tunnetussa huipputuotteessa on hyvä keino saada omalle tutkimukselle laajempaakin huomiota.

— Hyvin harva patenttihakemus johtaa ikinä teolliseen tuotantoon, mutta jo yhdellä voi olla yliopiston kannalta taloudellisesti hyvin suuri merkitys.

Peltisepästä tuli professori

Liimaton liimaus, selluloosahelmet ja Ioncell saattavat vielä lyödä markkinoilla läpi suuressa mitassa. Jokaisessa on potentiaalia aikana, jolloin on pakko miettiä maapallon tulevaisuutta ja ympäristökuormituksen pienentämistä.

Kilpeläisen mielestä tutkijoiden ei pidä jämähtää yhteen tuotteeseen, ei edes lupaavaan sellaiseen.

— Monessa tutkimusryhmässä tehdään virhe, kun keskitytään vain yhteen tarkasti rajattuun aiheeseen ja unohdetaan ympäröivä maailma. Yliopiston rooli on luoda aina uutta ja saada uusia asioita alulle.

Läpimurto voi syntyä tutkimuksen sivutuotteena.

Ilkka Kilpeläinen on ensimmäiseltä ammatiltaan peltiseppä. Opiskeltuaan laborantiksi hän innostui kemiasta niin että päätti pyrkiä Helsingin yliopistoon. Sillä tiellä professori on edelleen, uutta etsimässä.

Joskus läpimurto syntyy ihan eri tutkimuksen sivutuotteena tai pitkän, jopa toivottomalta tuntuneen puurtamisen jälkeen, kuten ioninesteiden tapauksessa.

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehdessä Y/03/18.

Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa ja rakastu tieteeseen.

Bakteeri paljastaa myrkyn

Ioninesteet ovat usein vähemmän toksisia eli myrkyllisiä kuin muunlaiset kemianteollisuudessa käytetyt liuottimet. Ne myös haihtuvat heikosti eivätkä pölyä kuten kiinteät aineet.

Joitakin ioninesteistä voisi lähestulkoon juoda, mutta toiset voivat aiheuttaa lyhyessäkin kosketuksessa iholle palovammaa vastaavat jäljet. Pienikin muutos molekyylissä voi aiheuttaa suuria muutoksia sen myrkyllisyyteen. Myrkyllisyyden määrittelyssä Kilpeläisen ryhmä tekee yhteistyötä yliopistonlehtori Susanne Wiedmerin tutkimusryhmän kanssa.

— Kun Ilkka ja kumppanit syntetisoivat erityyppisiä rakenteita, me kerromme, kannattaako tietyllä yhdisteellä jatkaa vai onko se toksinen. Olemme aika hyvin jo onnistuneet kartoittamaan, miten ioninesteitä kannattaa muokata, että ne olisivat mahdollisimman vaarattomia, Wiedmer kertoo.

Yksi tärkeimmistä menetelmistä on hyödyntää merissä elävää Vibrio fischeri -bakteeria, joka tuottaa normaalissa aineenvaihdunnassaan bioluminesenssivaloa.

— Heti kun tulee ulkoisia ärsykkeitä, bakteeri lakkaa tuottamasta valoa. Se kertoo meille, että jotain on tapahtumassa.

Puolikin grammaa ioninestettä riittää kertomaan, soveltuuko yhdiste myrkyllisyytensä puolesta teolliseen käyttöön.

— Jos molekyyli on sama, sen toksisuus ei muutu, oli ainetta yksi gramma tai yksi tonni.

Lue lisää aiheesta: Luonnontieteet