Tärkeää väriainetta voi tehdä murto-osalla nykyisestä liuotinmäärästä – kiitos uuden valmistusmenetelmän

Orgaanisilla eli hiiltä sisältävillä väriaineilla on luonnossa tärkeitä tehtäviä. Ne huolehtivat esimerkiksi hapen ja muiden kaasujen kuljetuksesta elimistössä (osana hemoglobiinia) ja muuttavat auringon energiaa kemialliseksi energiaksi fotosynteesissä (lehtivihreä eli klorofylli).

Myös ihminen on opetellut valmistamaan ja hyödyntämään orgaanisia väriaineita. Yksi ryhmistä on ftalosyaniinit, joille löytyy käyttökohteita muun muassa teollisuuden prosesseissa, kuvantamisessa, nanolääketieteessä sekä aurinkokennoissa ja muussa optoelektroniikassa. Ftalosyaniinien valmistukseen liittyy kuitenkin ongelma, kertoo Aalto-yliopiston akatemiatutkija Eduardo Anaya.

”Orgaanisten värianeiden valmistuksessa käytetään runsaasti liuottimia kuten dimetyyliaminoetanolia (DMAE). Se on syövyttävä, helposti syttyvä, bioaktiivinen ja haitallinen ympäristölle. ”

Tuoreessa tutkimuksessa Anaya ja hänen kollegansa osoittavat, miten ftalosyaniineja voidaan valmistaa ympäristöystävällisemmin niin sanotun kiinteän aineen synteesin avulla. Tutkimuksen juuri julkaissut Angewandte Chemie International Edition -tiedelehti nosti sen ”päivänpolttavien” artikkelien kategoriaan.

Yksin Euroopan unionin teollisuus käyttää eri prosesseissaan 10 000 tonnia DMAE:ta vuodessa.

”Meidän menetelmässämme liuotinta tarvitaan alla sadasosa nykymenetelmään verrattuna”, kertoo tutkijatohtori Sandra Kaabel, joka yhdessä Anayan kanssa oli tutkimuksen pääkirjoittajia.

Tiimi käytti lähtöaineena ftalonitriiliä, joka on yleinen orgaaninen yhdiste värien valmistuksessa. Se käsiteltiin muutamalla pisaralla DMAE:ta ja sinkkitemplaatilla kuulamyllyssä. Sen jälkeen seosta vanhennettiin 55-asteisessa uunissa viikon ajan tai 100-asteisessa uunissa kaksi vuorokautta.

”Kiinteän aineen synteesillä kemikaaleja voi valmistaa ilman, että reaktion osaset pitää liuottaa. Oli kiehtovaa nähdä, miten väri muuttui alun värittömästä ensin vihreäksi ja sitten syvän siniseksi – todistaa omin silmin, miten menetelmä toimi”, Kaabel sanoo.

Perinteisessä menetelmässä liuotin kuumennetaan 160–250-asteiseksi, ja valmiin väriaineen määrä on pienehkö suhteessa käytettyihin materiaaleihin ja aikaan. Aalto-yliopiston tutkijoiden menetelmä toimii hyvin pienellä liuotinmäärällä ja matalammassa lämpötilassa, mikä nelinkertaisti valmistuksen hyötysuhteen.

Esikuva luonnosta, idea kahvihuoneesta

Ftalosyaniinin molekyylirakenne tekee siitä muuntautumiskykyisen moniin eri sovelluksiin.

”Luonto on inspiroiva esikuva, joka on miljoonien vuosien aikana luonut orgaanisia värejä moniin eri tarkoituksiin”, Anaya sanoo.

”Me voimme napata ne sellaisenaan ja hyödyntää värejä esimerkiksi keinotekoisessa fotosynteesissä energian tuottamiseen. Tai viedä ideat vielä pidemmälle.”

Ideoita syntyy ja jalostuu muun muassa Aallon ja VTT:n yhteisessä FinnCERES-osaamiskeskuksessa, joka on erikoistunut uusien biomateriaaliratkaisujen kehittämiseen.

Yksi lupaava sovellusala on biolääketiede. Parhaillaan tutkimusryhmä kehittää FinnCERES-hankkeessa selluloosamateriaalia, joka steriloi itse itsensä väriaineen ja valon käynnistämän reaktion avulla.

Uusia ideoita syntyy kohtaamisissa – laboratorioissa ja niiden ulkopuolella.

”Nyt julkaistun tutkimuksenkin ideaa aloimme pallotella kahvihuoneessa – ja sitten vain lähdimme kokeilemaan”, kertoo väitöskirjatutkija ja tutkimuksen ykköskirjoittaja Daniel Langerreiter.

Artikkeli: A Greener Route to Blue: Solid-State Synthesis of Phthalocyanines
Daniel Langerreiter, Mauri A. Kostiainen, Sandra Kaabel, Eduardo Anaya-Plaza

Linkki artikkeliin (onlinelibrary.wiley.com)