Nano- ja mikrotekniikan kärkikurssi Micronovalla

Olarin, Pohjois-Tapiolan ja Kauniaisten lukion oppilailla oli mahdollisuus tutustua nykytekniikan ihmeisiin ja mahdollisuuksiin  Aalto-yliopiston Nano- ja mikrotekniikan laitoksella 23. -27.4.  järjestetyllä kärkikurssilla. Kurssin aikana lukiolaiset saivat runsaasti ajankohtaista tietoa materiaalifysiikasta, sen tutkimuskohteista, haasteista ja soveltamismahdollisuuksista. Osallistujat tutustuivat fysikaalisiin ilmiöihin, jotka ovat puolijohdekomponenttien toiminnan perusta. Tutuiksi tulivat niin sähköauton valmistaminen kuin jäätelön valmistusprosessi nestetyppeä hyödyntäen.

Tekniikka viihde- ja hyötykäytössä

Kärkikurssi

Aurinkopaneelin tehontuottoa laskemassa.

Nykytekniikan viihdesovellukset tarjoavat monille iloa arkipäivään. Esimerkiksi Wii-pelikonsolilla pelatessasi heiluttelet kädessäsi Wii Remote -pääohjaimen sisältämiä kiihtyvyysantureita, jotka mahdollistavat kolmiuloitteisen liiketunnistuksen. Lähitulevaisuudessa hankkimasi kännykkä voi olla tekstiileihin integroitava pehmeä ja taipuisa silikonityyny, joka ei sisällä ollenkaan mekaanisia painonappeja. Tämä voi kauhistuttaa, jos on tumpelosormi, jolla on jo nyt vaikeuksia käyttää puhelimen kosketusnäyttöä. Lohduttavaa on kuitenkin ajatus siitä,  että tulevaisuuden piilolinsseihin saadaan upotettua mikropiiri, joka mahdollistaa Ison Arskan elokuvista tutun  terminaattorinäön normaalin näköä terävöittävän optiikan lisäksi. Miltä kuulostaisi Bluetooth-sovellus  piilolinssiin, jossa voi olla vaikka autoilua helpottava pimeänäköavustin tai navigaattori?

Tulevaisuudessa Applen ja Nokian kaltaiset yritykset ratkaisevat markkinajohtajuuden laitteilla, joiden toiminnan kannalta keskeisin tekniikka on rakennettu millimetrin tuhannesosan (mikro) tai miljoonasosan (nano) kokoluokkaan. Materiaalifysiikan tutkimuksessa ei kuitenkaan ole kysymys pelkästään viihdeteollisuuden tarpeista. Sovelluskohteita mietittäessä keskiöön nousevat ilman kiinteää ulkoista virtalähdettä toimivat mikropiirit, jotka saavat tarvitsemansa hyvin vähäisen energian esimerkiksi suoraan auringosta (ns. valodiodeista) tai lämpötilaeroista (ns. termistoreista). Erittäin tärkeä materiaalifysiikan sovelluskohde ovat myös aurinkopaneelit, joiden hyötysuhteen parantamisella voidaan merkittävästi vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä energiantuotannossa.

Lukiolaiset yliopiston opissa

Olarin, Pohjois-Tapiolan ja Kauniaisten lukion oppilailla oli mahdollisuus tutustua nykytekniikan ihmeisiin ja mahdollisuuksiin  Aalto-yliopiston Nano- ja mikrotekniikan laitoksella järjestetyllä kärkikurssilla.  Pohjois-Tapiolan lukiosta kärkikurssille osallistuivat Esteri Viitanen, Elina Vuojolainen, Dita Tammivaara, Risto Herztberg ja Raimond Roossaar.  Aalto-yliopistossa tunnetaan mikromaailman kvanttimekaaniset ilmiöt, jotka ovat puolijohteista valmistettujen mikropiirien toiminnan perusta. Mikä tärkeintä Aallossa on lisäksi runsaasti yksityiskohtaista tietotaitoa ja laitteita mikropiirien valmistukseen ja kehitystyöhön.

Teoriaa ja käytäntöä

Ensimmäisenä päivänä lukiolaiset tutustuivat aurinkopaneelien toiminnan fysikaaliseen perustaan ja soveltamismahdollisuuksiin Suomessa ja maailmalla. Erilaisten kennoteknologioiden tekninen rakenne, käyttöominaisuudet ja  valmistusprosessi kustannuksineen selvitettiin opiskelijoille yksityiskohtaisesti tehtävärasteilla, jotka vaativat luonnontieteiden, matematiikan, tietotekniikkaan ja taloustieteiden osaamista. Innostavin toiminnallinen rastitehtävä oli monen mielestä aurinkoenergialla toimivan  sähköauton rakentaminen.

Kärkikurssi

 Hmm.. tavoitteena sähköauto.

Toisen kurssipäivän ohjelmassa olivat LEDit (LightEmittingDiode) eli valoa lähettävät puolijohdekomponentit, joita sovelletaan  nykyisin esimerkiksi taulutelevisioissa valonlähteenä ja erilaisissa valaisimissa.  Opiskelijat tutustuivat lisäksi MOVPE-laitteistoon (MetalorganicVapourPhaseEpitaxy), jolla piilevylle prosessoidaan hyvin ohuita eri aineista valmistettuja kalvoja, jotka yhdessä muodostavat LEDin sisäisen rakenteen ja mahdollistavat sen toiminnan.

Mikropiirien valmistuksessa on tärkeää  myös tietää, mitä tuli tehtyä, ja siksi opiskelijat perehtyivät lasermittausmenetelmiin, joilla valmisprosessin hedelmiä ja tuotoksia voidaan lähemmin tutkia. Iltapäivän ohjelmassa oli runsaasti tietoa sekä iloa ja hilpeyttä herättäviä demoja materiaalifysiikasta: tutuiksi tulivat lämpöparit, hydrofobiset ja hydrofiiliset piikiekot, muistimetallit  ja amorfiset metallit sekä erityisesti jäätelön valmistusprosessi nestetyppeä hyödyntäen.

Kärkikurssi

MOVPE-laitteisto piikiekkojen päällystämiseen.

Kolmantena kurssipäivänä kurssilaiset keskittyivät mikro- ja nanovirtapiirien valmistusprosessin eri vaiheisiin Micronovan huipputeknisessä puhdastilalaboratoriossa, jossa työskentely vaati jokaiselta erityistä pukeutumista ja huolellisuutta laboratorion puhtaana pysymiseksi. Siivousintoilijoille kerrottakoon, että nanovirtapiirien valmistuksessa haitalliset kontaminaatiot ovat suuruudeltaan atomien luokkaa, johon verrattuna tavallinen sängyn alta löytyvä pölypartikkeli tai hilsehitu hartioilla on jättiläismäinen kappale.  Päivän päätteeksi oppilaat mittasivat puhdastilassa litografisesti piikiekolle valmistettujen virtapiirien ominaisuuksia yleismittarin avulla.

Kärkikurssi

Hymyilkää olette valokuvassa!

Neljäntenä päivänä kurssilaiset perehtyivät mittaustekniikkaan, jolla voidaan tutkia valmistettujen virtapiirien mikrotason rakennetta. Näkyvää valoa parempaan tarkkuuteen pystyvät atomivoimamikroskooppi AFM ja elektronien kvantti-interferenssi-ilmiöön perustuva elektronimikroskooppi SEM tulivat lukiolaisille tutuksi niin teoriassa kuin käytännössä.  Kuvauskohteina olivat muun muassa Kauklahdessa asustellut muurahainen,  perhosen silmän verkkokalvon tappisolut ja puun rungossa kasvavan käävän itiöemän alapinnan solujen rakenne.

Viimeisenä päivänä lukiolaiset kokoontuivat seminaariin Pohjois-Tapiolan lukioon asiantuntevan ja arvovaltaisen yleisön kuultavaksi ja tentattavaksi. Lukiolaiset kertoivat esitelmissään yksityiskohtaisesti, mitä olivat havainneet ja oppineet nano- ja mikrotekniikan kärkikurssilla.

Tehokasta oppimista ja sijoitusvinkkejä

Kärkikurssi

Perhosen silmän verkkokalvon soluja ja käävän itiöemän solukkoa.

Intensiivikurssi oli erittäin onnistunut ja opettavainen. Kurssin aikana lukiolaiset saivat runsaasti ajankohtaista tietoa materiaalifysiikasta, sen tutkimuskohteista, haasteista ja soveltamismahdollisuuksista. Osallistujat tutustuivat fysikaalisiin ilmiöihin, jotka ovat puolijohdekomponenttien toiminnan perusta. Tietoa tuli runsaasti mikropiirien valmistusprosessien eri vaiheista. Lukiolaiset perehtyivät erilaisiin mittausmenetelmiin ja saivat mallia tieteellisestä tutkimustyöstä.  Luennoitsijoina ja ohjaajina toimineet nuoret tutkijat antoivat reippaalla esiintymisellään hyvän esimerkin korkeakouluopintojen suorittamisesta. Ja olihan kärkikurssilla ripaus myös sijoitus- ja yrittäjyyskasvatusta: yritimme aina vaivihkaa eri käänteissä tiedustella, millä materiaalifysiikan suomalaisilla innovaatioilla on suuret kasvuodotukset  ja mitkä spin off -yritykset tulevat kasvattamaan markkina-arvonsa lähitulevaisuudessa. Ihan vaan kaikille tiedoksi, että esimerkiksi kosketusnäyttöjen valmistuksessa tarvittavien harvinaisten maametallien arvo tulee nousemaan lähivuosina kovan kysynnän ja heikon tarjonnan takia…

Kuvagalleria

Posted by Matti Heikkinen

Fysiikan ja matematiikan opettaja Pohjois-Tapiolan lukiosta.