Nanopinnoitteiden toiminta

Nanopartikkelien fysikaaliset ominaisuudet riippuvat paitsi niiden koostumuksesta niin myös niiden koosta. Materiaalien kemialliset ominaisuudet säilyvät samanlaisina kuin suurempien partikkeleiden, mutta nanomittakaavassa niiden aktiivisuus kasvaa. Tämä johtuu pinta-alan kasvusta suhteessa tilavuuteen jolloin kaikki pintakemian ilmiöt voimistuvat. Tämä on eräs motiivi käyttää nanopartikkeleita erilaisissa pinnoitteissa.

Tiettyjen nanopinnoitteiden merkittävä etu on niiden kyky muodostaa lasimainen, likaantumaton ja näkymätön pinta. Partikkelien pienen koon vuoksi ne leviävät käsiteltävälle pinnalle hyvin ja tasoittavat pinnan epätasaisuuksia estäen lian pääsyn alla oleviin rakenteellisiin. Pinnat ovat myös kestäviä sillä partikkelit sitoutuvat sekä pintaan että toisiinsa nk. van der Waals-voimilla, jotka nanomittakaavassa ovat erityisen vahvoja. Riippuen nanopartikkelien pinnan kemiasta ne voivat joko hylkiä tai suosia vettä. Jos nanopartikkelit hylkivät vettä voidaan muodostaa pinta joka toimii lotus-kukan lehtien tavoin. Siinä nanokokoiset pinnan vaihtelut estävät lehden kastumista ja vesipisarat pysyvät pisaroina pintajännityksen johdosta ja valuvat pois (Kuva 1). Tällaisia pintoja kutsutaan hydrofobisiksi. Tietyillä nanopartikkeleilla saadaan aikaan myös nk. oleofobisia pintoja jolloin veden lisäksi ne hylkivät myös öljyjä ja rasvoja.

Kuva 1​. Lotus-kukan pinnan kemia ja rakenne pitävät vesipisarat pallomaisina ja ne valuvat lehdeltä pois.

Nanopartikkeleita voidaan myös tarkoituksenmukaisesti valita tai muokata siten, että veden hylkimisen sijaan ne suosivat sitä jolloin pintaa kutsutaan hydrofiiliseksi. Tällöin vesi pääsee tunkeutumaan pinnan pieniin epätasaisuuksiin sekä huuhtomaan likaa pinnalta pois. Nanopartikkelit voivat myös toimia fotokatalyytteinä jolloin ne tuottavat UV-valon vaikutuksesta reaktiivisia yhdisteitä ilman hapesta jotka hajottavat orgaanista ainetta josta lika tyypillisesti koostuu. Yhdessä hydrofiilisyyden kanssa tällaista pintaa kutsutaan itsestään puhdistuvaksi pinnaksi. Esimerkkinä tästä titaanidioksidipartikkeihin perustuva lasipinnoite jolla on sekä likaa hajottava ominaisuus sekä hydrofiilisyys.

Nanopartikkelipinnoitteiden eräs etu on niiden hermeettisyys tai pikemminkin sen puute. Hermeettinen pinta tarkoittaa täysin ilmatiivistä rakennetta ja esimerkiksi puupinnoille se ei välttämättä ole paras ratkaisu. Puurakenteen kosteus riippuu ilmankosteudesta ja se elää

ympäristön mukana. Mikäli puurakenteen eri puolilla vallitsee erilainen lämpötila ja kosteus, voidaan väärällä pinnoittamisella luoda olosuhteet jossa vesihöyry tiivistyy rakenteen sisään. Oikealla tavalla valittu nanopinnoite päästää vesihöyryn lävitse, mutta estää veden pääsyn pinnan läpi eikä ongelmaa synny. Tällainen pinnoite toimii urheilutekstiileistä tunnetun Gore-Texin tavoin.

Artikkelin kirjoittaja Pasi Keinänen on työskennellyt nanomateriaalien parissa jo 20 vuotta sekä yliopistossa että teollisuudessa. Tällä hetkellä hän toimii Tampereen Yliopiston innovaatioasiamiehenä, materiaalitieteiden tutkijana sekä teknologiakonsulttina.

Pasi Keinänen, materiaalitieteiden tutkija