Nanomateriaalien tärkein ominaisuus on koko, hyvin pieni sellainen. Pieni koko tekee näistä aineista niin poikkeuksellisia. Mietitäänpä vaikka hiiltä. Grafiitti on tummanharmaa ja erittäin pehmeä mineraali. Jos se asetettaisiin samaan kehään teräksen kanssa, ottelusta tulisi lyhyt ja murskaava. Hiiliatomit voivat kuitenkin muodostaa nanomittaluokan materiaaleja, niin sanottuja hiilinanoputkia, joiden vetolujuus on satakertainen teräkseen verrattuna. Näiden aineiden taisto kääntyisi siis hiilen voitoksi.

Pallomaisten nanohiukkasten pinta-alan suhde massaan on huomattavasti suurempi verrattuna isompiin partikkeleihin. Otetaan esimerkiksi gramman painoinen hiukkanen, jonka halkaisija on yksi millimetri. Tällaisen hiukkasen pinta-ala on noin kolme neliömillimetriä. Otetaan sitten samansuuruinen massa eli yksi gramma hiukkasia, joiden halkaisija on yksi nanometri. Näiden hiukkasten yhteenlaskettu pinta-ala on arviolta puolisentoista neliömetriä. Hiukkasten pinta-alan suhde massaan vaikuttaa esimerkiksi kemiallisten reaktioiden nopeuteen. Mitä suurempi tämä arvo on sitä nopeampi on kemiallinen reaktio. Vaikka joskus olen kuullut muunkinlaisia väitteitä, tässä tapauksessa pätee sanonta ”koolla on väliä”.

Nanomaailma ei kuitenkaan ole vain pallomainen, kuten aiemmasta esimerkistä voisi kuvitella. Nanomateriaaleja on olemassa eri muotoisia. On hiukkasia, kuituja, putkia ja levyjä:

  • Nanohiukkanen on materiaali, jonka kaikki kolme ulottuvuutta ovat nanoluokassa.
  • Nanokuidussa kaksi ulottuvuutta ovat nanoluokassa ja kolmas ulottuvuus on huomattavasti suurempi.
  • Nanoputki on ontto nanokuitu.
  • Nanolevyssä yksi ulottuvuus on nanoluokassa ja kaksi ulottuvuutta ovat huomattavasti suurempia.

Olkoon aineen muoto sitten hiukkanen tai kuitu, etuliite “nano” kertoo kyseessä olevan materiaalin, jonka koko mitataan nanometreissä. Mutta kuinka pieni nano oikeastaan on?

Nanometri eli nm on millimetrin miljoonasosa eli 1 nm= 0,000001 mm. Jos katselet viivottimen millimetrin levyistä pätkää ja jaat sen ensin mielessäsi tuhanteen osaan, saat tulokseksi mikrometrin levyisen kaistaleen. Kun jaat tämän vielä tuhanteen osaan, on kaistaleen leveys yksi nanometri. Nanomateriaaliksi sanotaan ainetta, jonka rakenteesta ainakin yksi ulottuvuus on välillä 1 ja 100 nm. Ollaan siis jo lähellä atomien kokoa. Atomit ovat kylläkin vielä pienempiä. Jos nanohiukkanen olisi golfpallo niin atomi olisi nuppineulanpään kokoinen.

Jotta nanomateriaalien pienen pientä kokoa olisi helpompi käsittää, otetaan pieni vertailuharjoitus.

Kuvittele mielessäsi tavallinen A4-kokoinen paperiarkki ja aseta mielessäsi sen päälle 10 metriä korkea rakennus. Paperin paksuuden suhde talon korkeuteen on sama kuin yhden nanometrin paksuisen nanolevyn suhde paperin paksuuteen.

Samalla logiikalla voidaan ajatella nanohiukkasta, jonka halkaisija on yksi nanometri. Sen suhde pingispalloon on  sama kuin pingispallon suhde maapalloon.

Ja kun nyt vauhtiin päästiin, niin kuvittele, että sidot yhteen 50 000 nanometrin paksuista putkea. Tällä tavoin saat ihmisen hiuksen paksuisen nipun nanokuituja.

Kiehtovaa eikö totta!

Niin hauskaa kuin kokovertailujen keksiminen onkin, on aika siirtyä eteenpäin käsittelemään itse aineita. Seuraavassa kirjoituksessa esittelen erilaisia nanomateriaaleja ja missä kaikkialla niihin voi törmätä. Vinkkinä voin sanoa, että taitaisi olla helpompi luetella paikat, jossa niihin nykyaikana ei törmäisi.