Monitieteinen materiaalikemian tutkimusohjelma kattaa sekä epäorgaanisen-, orgaanisen-, polymeeri- että rakennekemian tutkimuksen. Tutkimusaiheet sisältävät kaikki näkökulmat perustutkimuksesta (synteesi ja karakterisointi) aina sovellutuksiin asti (elektroniikan materiaalit, funktionaaliset materiaalit sekä kulutustavarat).
Materiaalien karakterisointi on olennainen osa materiaalikemian tutkimusta. Tätä tarkoitusta varten kemian osastolla on käytössään laaja valikoima laitteita ja menetelmiä kuten AFM/STM, FESEM-EDX, FIB/SEM, XRD/XRR, TGA, FTIR, NMR ja MS.
Tutkimusohjelman johtaja on professori Ilkka Kilpeläinen.
Ohutkalvoja tarvitaan kaikissa moderneissa teknologioissa niin mikroelektroniikassa kuin lääketieteellisissä sovellutuksissa. Tutkimusryhmät ovat kansainvälisesti johtavassa asemassa kehittämässä ALD-kemiaa ja muodostaa pääosan Finnish Centre of Excellence in ALD –huippuyksiköstä. ALD-tutkimus on painottunut ohutkalvomateriaaleihin, joita tarvitaan uuden sukupolven integroiduissa piireissä, energiaan keskittyvissä teknologioissa, optiikassa, pintojen muokkauksessa sekä biomateriaaleissa. Ohutkalvojen ohella tutkimusryhmä tutkii myös epäorgaanisia nanokuituja, joita valmistetaan sähkökehräys- ja sähköpuhallustekniikoilla.
Funktionaalisista ja biopohjaisista materiaaleista on tulossa olennainen osa nyky-yhteiskuntaa. Näiden materiaalien kirjo ulottuu aina jokapäiväisistä kulutustavaroista (kuten kankaista) lääkeaineiden hallittuun vapauttamiseen ja diagnostisiin sovellutuksiin. Moderni synteettinen kemia mahdollistaa uudenlaisten polymeerimateriaalien kehittämisen. Uudenlaiset materiaalit voivat olla kiinteässä tai liuosfaasissa itsejärjestyviä mikä mahdollistaa älykkäiden (nano)laitteiden ja materiaalien valmistamisen. Vihreä kemia tarjoaa mahdollisuuksia biopolymeerien liuottamiseen ja kemialliseen muokkaamiseen. Näin saadaan tuotettua esimerkiksi tekstiilejä, kalvoja ja saumattomia tuotteita halutuilla ominaisuuksilla. Lisäksi tutkimme “älykkäitä” polymeerejä, jotka reagoivat muutoksiin lämpötilassa, pH:ssa, sähkökentässä tai valossa.
Puusta saatavan biomassan jalostus on sekä yksi Suomen talouden tukipilareista, että tärkeä tutkimusala kestävälle kehitykselle myös kansainvälisellä mittapuulla. Biomassan rakenteellisen ja kemiallisen koostumuksen syvällinen ymmärrys on perusedellytys monessa yhteiskunnalle tärkeässä tuotantoketjussa kuten biopolttoaineiden jalostuksessa, lääkekehityksessä sekä tekstiili- että rakennusteollisuudessa. Nämä aiheet ovat Biomassan jalostus -ryhmän tutkimuksen kulmakiviä. Ryhmän toiminnassa korostuu analytiikka (erityisesti NMR-spektroskopia), orgaaninen kemia, fysikaalinen orgaaninen kemia, materiaalikemia sekä biomassan kiteisyyden, kemian, rakenteen ja jalostettavuuden tutkimus. Uudenlaisten liuottimien, kuten ioninesteiden, valmistaminen analytiikan ja jalostuksen työkaluiksi on avainasemassa alan perustutkimuksen tulevaisuudelle ja kaupallisten sovellusten kuten hienokemikaalien, tekstiilikuitujen, kalvojen ja 3D-rakenteiden kehitykselle biomassasta, etenkin selluloosasta.
Molekyylitieteen tutkimusohjelma yhdistelee useita kokeellisia ja teoreettisia lähestymistapoja. Pääasialliset painopisteet kokeellisessa tutkimuksessa ovat ihmisen uloshengitysilman tarkkailu, valokemia, matalan lämpötilan kemia, kemiallisten reaktioiden tutkimus, kaasukinetiikka, kiinteän aineen ja pintojen reaktiot sekä palamisen kemia. Kokeellisten tekniikoiden (infrapuna-alueen taajuuskammat, tarkkuuslaserspektroskopia ja massaspektrometriset menetelmät) ohella kehitämme ja käytämme lukuisia teoreettisia ja laskennallisia menetelmiä.
Tutkimusohjelman johtaja on professori Gareth Law
Pääasialliset painopisteet kokeellisessa tutkimuksessa ovat ihmisen uloshengitysilman tarkkailu, valokemia, matalan lämpötilan kemia, kemiallisten reaktioiden tutkimus, kaasukinetiikka, kiinteän aineen ja pintojen reaktiot sekä palamisen kemia. Kokeellisten tekniikoiden (infrapuna-alueen taajuuskammat, tarkkuuslaserspektroskopia ja massaspektrometriset menetelmät) ohella kehitämme ja käytämme lukuisia teoreettisia ja laskennallisia menetelmiä.
Laskennallisessa ja teoreettisessa kemiassa mallinnamme esimerkiksi suuria vesiklustereita, kemiallisten reaktioiden dynamiikkaa pinnoilla, molekyylispektroskopiaa, ilmakehän molekyylien termodynamiikkaa ja reaktioita, luonnon inspiroimia katalyysireaktioita, biomolekyylejä, heikkoja vuorovaikutuksia sekä aurinkokennojen kromoforeja. Tutkimme myös laskennallisten metodien keinoin materiaalien ominaisuuksia ja käyttäytymistä.
Radiokemian tutkimus keskittyy neljään osa-alueeseen, joista suurin on käytetyn ydinpolttoaineen sisältämien radionuklidien käyttäytyminen maaperässä. Muut tutkimusalueet ovat radiofarmaseuttinen kemia, epäorgaanisten ionivaihtajien kehittäminen radionuklidien selektiiviseksi poistamiseksi jätevesistä sekä ympäristön radioaktiivisuus.
Monitieteisessä synteesin ja analyysin tutkimusohjelmassa keskitytään modernien synteettisten ja analyyttisten menetelmien kehittämiseen. Tutkimusaiheet kattavat hienokemikaalit, lääkkeet, uudet materiaalit, lignoselluloosabiomassan sekä ympäristö- ja bioanalytiikan. Yhteistyö on vilkasta ja sitä tehdään myös teollisuuden ja muiden tutkimuslaitosten kanssa. Kaikissa tutkimusprojekteissa vihreä kemia sekä kestävä kehitys ovat huomion keskipisteenä.
Tutkimusohjelman johtaja on professori Timo Repo.
Synteesikemiassa painopistealueitamme ovat epäorgaaninen ja orgaaninen synteesi, bio-orgaaninen kemia, organometallikemia sekä biokatalyysi, metallikatalyysi ja katalyysi ilman metalleja. Tutkimusalueitamme ovat hiilihydraattien synteesi, pienten molekyylien katalyyttinen aktivointi, lignoselluloosapohjaisen biomassan prosessointi ja analytiikka biojalostamon yhteydessä sekä nukleiinihappojen ja sen osasten reaktiot. Tutkimusohjelmassa ovat tärkeitä myös laskennallisen kemian avustuksella suunnitellut synteesit ja katalyytit sekä yhdisteiden karakterisointi useilla spektroskooppisilla menetelmillä.
Analyyttisessä kemiassa keskitymme uusien laitetekniikoiden kehittämiseen koko analyysiketju huomioiden (näytteenotto, näytteen esikäsittely ja analyysi). Näissä painotamme erityisesti teoreettisia, menetelmällisiä sekä teknisiä haasteita. Tutkimuksessa ovat tärkeässä roolissa uusien materiaalien hyödyntäminen, laitteistojen pienentäminen ja eri tekniikoiden yhdistäminen. Ympäristö- ja bioanalytiikan ongelmia ratkotaan useilla menetelmillä kuten elektromigraatiolla, kromatografialla ja massaspektrometrialla.
Bioanalyyttisten ja fysikaalis-kemiallisten ongelmien ratkaiseminen
Vastuullinen tutkija (PI): professori Susanne Wiedmer
Ryhmällämme on asiantuntemusta kromatografia- ja kapillaarielektromigraatiotekniikoista (CE), kenttävirtausfraktioinnista (AF4) sekä biosensorimenetelmistä, kuten kvartsikidemikrovaa'asta (QCM) ja nanoplasmonisista sensoreista (NPS). Ryhmä on työskennellyt vuoden 2000 alusta lähtien nanohiukkasten, liposomien ja liposomien ja analyyttien vuorovaikutusten parissa käyttäen erilaisia CE-menetelmiä. Työssä on keskitytty biomembraania jäljittelevien pintojen ja analyyttien välisten vuorovaikutusten tutkimiseen (CE:n, NPS:n ja QCM:n avulla) sekä lipidivesikkelien ja -partikkelien karakterisointiin CE:n, AF4:n, zeta-potentiaalin ja partikkelikokomääritysten avulla. Ryhmän tutkimuskohteena on ollut myös analyyttien jakautumisvakioiden määrittäminen synteettisistä lipideistä tai biologisista näytteistä uutetuista lipideistä rakennettujen liposomien avulla. Ioniset nesteet ovat myös olleet ryhmän tutkimuskohteena, ja niissä painopiste on ollut uusien syntetisoitujen ionisten nesteiden myrkyllisyyden määrittämisessä. Tähän tarkoitukseen on käytetty liposomeja, soluja ja seeprakalamalleja.
Analyyttinen ympäristökemia
Yliopistonlehtori Kari Hartonen
Ryhmän englanninkielinen kuvaus: Research in the field of environmental analytical chemistry is focused on the development of selective, efficient and reliable techniques and methods for sampling, sample pre-treatment, analysis and detection of environmental samples. The goal is to solve a variety of environmental problems and to shed light on research areas where these systems are needed. The successful application of the modern instrumental techniques and methods to qualitative and quantitative analysis of environmental samples (water, plants, soil, sediment, air and aerosol particles) requires often the exploitation of totally new materials. This is true especially in different solid phase microextraction techniques that are utilized to combine sampling, extraction and sample concentration into one step. The studies are targeted also at portable instruments and selective chemical sensors, valuable for field measurements. In the research, high resolution chromatography and high resolution mass spectrometry are the core techniques, and if only possible, harmful organic solvents are replaced with environmentally friendly supercritical fluids (CO2 and water) or pressurized hot water in sample pre-treatment, analytical separations and synthesis of new materials. Reliable calibration systems play also an important role in the development of environmental analytical techniques.