Elämme fotoniikan vuosisataa! Tämä tieto tulee uutisena suurelle osalle ihmisistä, vaikka ilman fotoniikkaa et edes voisi lukea laitteesi näytöltä tätä tekstiä. Suuri joukko muitakin olennaisia arkipäivän asioita puuttuisi. Mistä siis on kysymys? Entä mitä mullistavia keksintöjä on vireillä Suomessa fotoniikan PREIN-lippulaivaohjelman piirissä?
Fotoniikka tutkii valoa, ainetta ja niiden vuorovaikutusta. Ihmisen näkemän valon aallonpituuksien lisäksi fotoniikan spektri kattaa kaikki valohiukkaset eli myös ultravioletti- ja infrapunavalon. Näiden tavoin fotoniikan keskeinen merkitys arkielämän ratkaisuissa jää laajalti piiloon katseiltamme.
”Valon tiede ja tekniikka eli fotoniikka on nykyisin mukana melkein jokaisessa asiassa. Ennen muuta se on ratkaisevan tärkeä mahdollistava teknologia”, kertoo prof. Jyrki Saarinen, Suomen Akatemian PREIN-lippulaivaohjelman vaikuttavuusjohtaja. Hän on toiminut suomalaisen fotoniikan alan keskeisenä johtohahmona yli parikymmentä vuotta niin yrityksissä kuin tutkimusorganisaatioissa.
”Tekniikan kehityksessä 1800-luku perustui höyrykoneisiin ja mekaniikkaan. Sitten 1900-luku oli elektroniikkaa eli elektronit kuljettavat sähköä, kun nyt fotonit kuljettavat valoa. Ilman fotoniikkaa meillä ei olisi nykyajan tietoliikennettä, jossa tieto kulkee optisia valokuituja pitkin. Ilman fotoniikkaa lääketieteen kehitys ja avaruustutkimus eivät olisi läheskään nykytasolla”, Saarinen sanoo.
Pelkästään älypuhelimen materiaalikustannuksista yli puolet koostuu fotoniikasta eli näytöstä, kameroista, ledivalosta ja sensoreista. Suomalaisissa paperikoneissa käytettävästä mittaustekniikasta yli 70 prosenttia perustuu fotoniikkaan. Optinen sykemittaus älykelloissa ja -sormuksissa on myös valon tieteen sovellus.
”Paljon puhuttu kvanttitietokone on vain osa kvanttiteknologian tulevaisuuden sovelluksia, joihin kuuluvat myös kvanttitietoliikenteen ja -sensorit. Maailmalla rahoitetaan laajalti koko kvanttiteknologian alaa, jossa yli puolet menee fotoniikkaan ja nimenomaan valoon perustuviin ratkaisuihin”, Saarinen mainitsee.
Aurinkoenergiasta lääkkeiden valoaktivoituun annosteluun
Suomen Akatemian PREIN-lippulaivaohjelmassa tutkitaan fotoniikan sovellutusalueina energiaa, terveyttä, ympäristöä ja digitalisaatiota. Ohjelma alkoi 2019 ja kestää vuoden 2026 loppuun asti. Sen piirissä toimivat hankkeet ovat rakentamassa suomalaisia läpimurtoja, jotka mullistavat esimerkiksi aurinkoenergian tuotantoa, lääkkeiden annostelua ja infektioiden tunnistamista.
PREIN-ohjelmaan kuuluvan Aalto-yliopiston tutkijat murtavat fotoniikalla piikennojen äärirajoja. Nykyiset piikennot saavat hyvin talteen näkyvän valon energian, ja on ajateltu, että noin 30 prosentin hyötysuhdetta ei voi ylittää. Kuitenkin hyödyntämättä jäävät suurienerginen ultraviolettivalo ja heikompi mutta laaja infrapunavalon aallonpituusalue.
”Meidän katseemme on sadassa prosentissa. Olemme jo saavuttaneet uuden maailmanennätyksen, ja saamme UV-valosta sähköä toisin kuin muut”, kertoo mikro- ja nanoelektroniikan professori Hele Savin Aalto-yliopistosta. Hän on maailmanlaajuisesti erittäin arvostettu aurinkoenergian kehittäjä.
Tutkijat hakevat myös keinoja tehdä kennoista yhä halvempia, vaikka ne ovat jo edullisin tapa tuottaa sähköä.
”Suurin kuluerä kennoissa ovat piikiekot, joiden normaali paksuus on 200 mikrometriä. Me olemme kuitenkin tehneet jopa 10 mikrometrin kennoja ilman, että hyötysuhde kärsii. Jos samasta materiaalista saadaan valmistettua 20 kertaa enemmän kennoja, voidaan saada huomattava kustannussäästö. Keinona on tässäkin fotoniikka eli valon manipulaatio, jolla valo saadaan poukkoilemaan kennon sisällä.”
Helsingin yliopistossa on vireillä lääketieteen mullistava uutuus, valolla aktivoituva lääkkeen annostelu. Tavoitteena on hallita valolla elimistöön viedyn lääkkeen vapautumista, pitoisuutta ja kohdistamista.
”Iso haaste tässä on ihmisen ihon pieni optinen ikkuna. Punainen valo menee ihosta läpi, mutta ei sininen, joka olisi tarpeen riittävän kemiallisen energian takia. Kemia ja biologia eivät siis kohtaa”, kertoo Timo Laaksonen, farmaseuttisen nanoteknologian professori Helsingin yliopistossa. Hän toimii myös tutkimusjohtajana Tampereen yliopistossa.
Fotoniikan avulla visaiseen haasteeseen on löytynyt kaksikin ratkaisukeinoa.
”Pystymme tuottamaan sinistä valoa kudoksen sisällä käyttämällä fotonista kikkaa, jolla fysiikan periaatteiden vastaisesti saamme aikaan vähemmästä energiasta enemmän. Punaiselle valolle herkät molekyylit keräävät energian ja tuottavat sinistä valoa ennätysmäisellä 30 prosentin hyötysuhteella. UPM:n kanssa taas tutkimme nanoselluloosageelejä, joilla lääkkeen vapautumisen voi aktivoida punaisella valolla”, Laaksonen selostaa.
PREIN-ohjelmaan kuuluvan VTT:n poikkitieteelliset tutkimustiimit ovat puolestaan tutkineet joustavan elektroniikan ja optiikan käyttöä terveys- ja hyvinvointisovelluksissa jo noin viisitoista vuotta. Kehitteillä on fotoniikkaa hyödyntäviä uutuuksia puettavista laitteista massavalmistettavaan diagnostiikkaan. Jälkimmäisiin kuuluu edullinen vasta-ainetesti, jonka pohjana voi käyttää biohajoavaa selluloosaa.
”Olemme tehneet optisesti aktiivisia testiliuskoja, joiden äärimmäisen ohuella kultapinnalla voi olla melkein minkä tahansa infektion vasta-ainetta. Kun näyte viedään pinnalle, sen optiset ominaisuudet muuttuvat radikaalisti ja tämä havaita fluoresenssivalon lukulaitteella”, kertoo tutkimustiimin vetäjä Maria Smolander VTT:ltä.
Yli kahden biljoonan euron arvoinen ala
Vuonna 2022 maailman fotoniikan alan kattojärjestö SPIE arvioi, että fotoniikan mahdollistamien alojen ja palveluiden arvo ylittää kaksi biljoonaa euroa. Jos lasketaan vain fotoniikan peruskomponenttien valmistus, alan liikevaihto on noin 300 miljardia euroa.
”Kaikki lähtee peruskomponenteista, kuten kuvakennoista ja lampuista, joiden päälle rakentuvat tuotteet, järjestelmät ja palvelut luovat suuren lisäarvon”, sanoo PREIN-vaikuttavuuspäällikkö Juha Purmonen, joka toimii myös fotoniikka-alan kattojärjestön Photonics Finlandin toiminnanjohtajana.
Suomessa fotoniikan liiketoiminta kasvaa muuta maailmaa nopeammin: vuotuinen kasvuvauhti maailmassa on viime vuosina ollut noin viisi ja Suomessa noin yhdeksän prosenttia. Puhtaasti fotoniikkaan rajoittuvien yritysten liikevaihto oli vuoden 2020 selvityksen mukaan yhteensä 1,2 miljardia euroa. Oleellisesti fotoniikkaa tekeviä yrityksiä oli noin 260.
”Maailmassa Suomi on hyvä erityisesti optisessa kuvantamisessa ja sensoreissa, mikro- ja nanofotoniikassa, sekä lasereissa ja XR-teknologiassa. Suomalaisen fotoniikkaosaamisen arvostuksen todistaa se, että useita suomalaisia yrityksiä on ostettu ulkomaille, ja Suomeen sijoittuu myös paljon ulkomaisia yrityksiä. PREIN on ainutlaatuinen kokonaisuus maailmalla fotoniikassa sekä oleellinen osa suomalaisen fotoniikkateollisuuden kehittymistä ”, Purmonen kertoo.