3. Research 3.1 Theses

85
9 3. Research 3.1 Theses The following Theses have been completed at the FunMat laboratories by the end of March, 2010. Electrical Characterization of Organic Memories using Polarizable Nanoparticles Baral, Jayanta Kumar Åbo Akademi University, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Department of Physics Defence on June 16 th , 2009 Opponent: Manish Chhowalla, Rutgers, the state university of New Jersey Organic memory is an emerging field of organic electronics. We have demonstrated a solution processable memory device where an organic nanocomposite solution comprising of a fullerene derivative [6,6]–phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PCBM)–based nanoclusters dispersed in an insulating polystyrene matrix sandwiched between two metal Aluminum electrodes. The devices show an initial high resistive (OFF) state which, upon reaching a certain threshold voltage, permanently switches to a low resistive (ON) state. The threshold voltage is found to be ~3.5V, independent of the sample thickness; a property ideal for printed electronics. After the threshold voltage, the ON state current follows by a negative differential resistance (NDR) state in the current voltage characteristics of the devices. We have clarified the role of the nanocomposite film, and shown that tunneling is the reason for current conduction for both before and after the threshold voltage [1]. When adding higher concentration of nanoparticles, they start to aggregate, and form spherical like aggregates, that changes the device behavior from a poor insulator (high resistance) until it forms a conducting pathway (ohmic behavior) [2]. To clarify the underlying principle of such device behaviour, we have suggested a mechanism, i.e. dielectric breakdown due to polarizable nanoparticles inside the insulating polymer matrix [2]. This mechanism of dielectric breakdown inside the insulating medium explains the origin for the threshold jump from low–conductivity OFF to high–conductivity ON state of the device. The effect of NDR behaviour in these devices could be explained by a tunneling process between the polarisable PCBM nanoclusters inside the insulating polymer PS matrix. We have been able to identify this model by establishing the correlation between the morphology and electrical performance of these memory devices. This, in turn, leads to the possibility of improving upon the device performance and achieve the goal of memory elements for printed electronics. References: 1. J. K. Baral, H. S. Majumdar, A. Laiho, H. Jiang, E. I. Kauppinen, R. H. A. Ras, J. Ruokolainen, O. Ikkala, and R. Österbacka, Nanotechnology 19, (2008) 035203035209. 2. A. Laiho, H. S. Majumdar, J. K. Baral, F. Jansson, R. Österbacka, and O. Ikkala, Applied Physics Letter 93, (2008) 203309203311.

Transcript of 3. Research 3.1 Theses

Page 1: 3. Research 3.1 Theses

9  

3. Research  3.1 Theses  The following Theses have been completed at the FunMat laboratories by the end of March, 2010.   

Electrical Characterization of Organic Memories using Polarizable Nanoparticles  

Baral, Jayanta Kumar Åbo Akademi University, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Department of Physics Defence on June 16th, 2009 Opponent: Manish Chhowalla, Rutgers, the state university of New Jersey  

Organic  memory  is  an  emerging  field  of  organic  electronics.  We  have  demonstrated  a  solution processable  memory  device  where  an  organic  nanocomposite  solution  comprising  of  a  fullerene derivative  [6,6]–phenyl  C61  butyric  acid  methyl  ester  (PCBM)–based  nanoclusters  dispersed  in  an insulating polystyrene matrix sandwiched between two metal Aluminum electrodes. The devices show an  initial  high  resistive  (OFF)  state  which,  upon  reaching  a  certain  threshold  voltage,  permanently switches to a  low resistive  (ON) state. The threshold voltage  is found to be ~3.5V,  independent of the sample  thickness;  a  property  ideal  for  printed  electronics. After  the  threshold  voltage,  the ON  state current follows by a negative differential resistance (NDR) state in the current voltage characteristics of the  devices. We  have  clarified  the  role  of  the  nanocomposite  film,  and  shown  that  tunneling  is  the reason for current conduction for both before and after the threshold voltage [1]. When adding higher concentration of nanoparticles, they start to aggregate, and form spherical like aggregates, that changes the device behavior from a poor  insulator (high resistance) until  it forms a conducting pathway (ohmic behavior) [2].  To  clarify  the  underlying  principle  of  such  device  behaviour,  we  have  suggested  a mechanism,  i.e. dielectric  breakdown  due  to  polarizable  nanoparticles  inside  the  insulating  polymer matrix  [2].  This mechanism of dielectric breakdown  inside the  insulating medium explains the origin  for the threshold jump  from  low–conductivity  OFF  to  high–conductivity  ON  state  of  the  device.  The  effect  of  NDR behaviour  in  these devices  could be explained by a  tunneling process between  the polarisable PCBM nanoclusters  inside  the  insulating  polymer  PS matrix. We  have  been  able  to  identify  this model  by establishing  the  correlation  between  the morphology  and  electrical  performance  of  these memory devices. This, in turn, leads to the possibility of improving upon the device performance and achieve the goal of memory elements for printed electronics. 

References: 

1. J. K. Baral, H. S. Majumdar, A. Laiho, H. Jiang, E. I. Kauppinen, R. H. A. Ras, J. Ruokolainen, O. Ikkala, and R. Österbacka, Nanotechnology 19, (2008) 035203‐035209. 

2. A. Laiho, H. S. Majumdar, J. K. Baral, F. Jansson, R. Österbacka, and O.  Ikkala, Applied Physics Letter 93, (2008) 203309‐203311. 

  

Page 2: 3. Research 3.1 Theses

10  

 

A sol‐gel derived adhesive for industrial use  Puputti, Janne Åbo Akademi University, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Department of Physical Chemistry Defence on December 11th, 2009 Opponent: Assistant Professor Freddy Kleitz, Université Laval, Quebec, Canada  

A new  type of  inorganic binder which  is environmentally  friendly and more  thermally  stable than present organic binders  is  investigated  in  this work. An amorphous  silicate mineral was used as starting material for the sol‐gel based synthesis. This could be an interesting alternative for  the  large  scale  production  of  inorganic  adhesives  within,  for  example,  the  stone  wool industry, in which the use of expensive metal alkoxide precursors is not economically feasible. Materials used  for  the preparation of  the sol‐gel based binder were water,  formic acid,  lactic acid, citric acid, ethanol, and amorphous silicate mineral.  

The results show that the gel mainly consists of silica while the other cations were dissolved in the pore  liquid. The stability of  the sols  is strongly dependent on  the pH of  the solution,  the longest gel times were obtained within the pH range of 2‐3.  During the drying of the wet gels, organic  salts  of  these  cations  were  crystallized  in  the  pores  and  transformed  to  oxides  or carbonates during heating. A pronounced decrease in the extent of crystallization in dried gels was observed  in samples containing citric acid or  lactic acid. This  is assumed to be due to the complexation  behavior  occurring  in  the  solutions.  The  derived  binder  shows  good  wetting properties against mineral  fiber  surfaces and a good  strength of paper‐binder  composites.  It was found that the addition of ethanol into the sol increased the gel time, as did the addition of citric acid or lactic acid. The different constituents of the raw material play a major role during the  drying  and  heat  treatment  of  the  gels.  It  is  shown  that  due  to  the  soluble  metal carboxylates,  a  post‐treatment  at  400oC  or  higher  is  needed  in  order  to  achieve  full  binder stability under excess of water. Furthermore, mesoporous gels  can be made hydrophobic by post‐treatments with either silanes or organophosphonates, showing that both silica and metal oxides are exposed on the surface of the binder. Surface functionalization is especially effective for  gels heat‐treated  at high  temperatures where  the metal  carboxylates decompose  to  the corresponding oxides or carbonates.  It  is also possible  to use  the  sol basing on  the  inorganic amorphous silicate for synthesizing mesoporous materials under acidic conditions. Syntheses of two  different  tri‐block‐co‐polymer  templated  silicas,  SBA‐15  and  KIT‐5,  are  described  in  this work. 

 

 

 

 

Page 3: 3. Research 3.1 Theses

11  

Silicon releasing sol‐gel TiO2‐SiO2 thin films for implant coatings  Ääritalo, Virpi Åbo Akademi University, Faculty of Chemical Engineering, Laboratory of Polymer Technology Defence on December 11th, 2009 Opponent: Professor Serena Best  The formation of a bond between biological tissue and implant material is an essential demand in many medical biomaterial applications. The lack of appropriate cell response often leads to the encapsulation of implant from the surrounding tissue, which furthermore inhibits the bonding of implant to tissue e.g. in bone  applications.  The biological performance of  inert biomaterial  surfaces  can be  improved by  a bioactive coating, which forms the tight bond with surrounding tissue. TiO2–SiO2 mixed oxide coatings are  promising  alternative  for  enhancing  the  tissue  contact  of  implant materials.  The  sol–gel  TiO2  is shown to be bioactive and biocompatible, but the biological performance of coating can be enhanced by addition of SiO2 into the material, as the silicon is shown to have positive effect on osteoblast response on medical implant surfaces. 

In the present work the coatings were prepared by sol–gel method, which is a widely used preparation technique  of  different  metal  oxides  for  catalytic  and  optical  applications.  The  TiO2  and  TiO2–SiO2 coatings with different amount of silica were prepared by carefully controlling the process parameters (e.g. Ti  to Si  ratio, acid catalyst concentration, prehydrolysis, sol ageing). The aim of  the study was  to achieve  silica–releasing  surfaces  with  suitable  chemistry  and  nanotopography  conferring  bioactive coating. The surfaces were carefully characterized, in vitro behavior and silicon release were monitored in simulated body fluid (SBF) or in phosphate buffer. The photocatalytic test was adopted as a analytical tool  for medical  sol–gel  coatings,  as  it  is  well  known  that  the  crystal  properties,  surface  area  and porosity are all having an influence on the photocatalytic activity as well as on bioactivity of the sol–gel materials.  A series of coatings was evaluated in fibroblast and osteoblast cell cultures. In addition, a NiTi suture material was coated with a TiO2–SiO2 coating manufactured at lower temperature by autoclaving instead  of  heat–treatment  in  oven  at  500oC.  This  low–temperature  coating  was  tested  in  animal experiment as an implant coating on NiTi suture. 

The sol–gel TiO2–SiO2 coatings easily form a heterogeneous structure where the TiO2 and SiO2 particles are  partly  interconnected  and  covered  with  soluble  silicon.  The  silicon  release  and  surface nanotopography of the films can be tailored by varying the sol–gel processing parameters. The formed nanotopography of TiO2–SiO2 coatings was suitable for biological applications. The silica containing TiO2–SiO2 sol–gel  films endow with enhanced osteoblast activity compared with pure titania coating, which likely will  improve  the bone bonding properties of  the  coatings. Furthermore,  the  coatings had good fibroblast cell response, indicating the biocompatibility of the films. Low–temperature TiO2–SiO2 sol–gel films were successfully prepared by autoclaving dip–coated films. The encouraging results from animal tests with coated NITI suture suggest that the low–temperature autoclaved film having 10 mol% of silica can  be  a  valuable  alternative  for  conventional  high  temperature  sol–gel  implant  coatings  for temperature sensitive substrates.  

 

 

 

Page 4: 3. Research 3.1 Theses

12  

3.2  Projects 

3.2.1 Synthesis of functional inorganic particles and formulation of dispersions.  Professor Jarl B. Rosenholm and Associate professor Mika Lindén  

The main responsibilities can be summarized as follows: a) to synthesize functional nanoparticles, b) to surface functionalize the particles  in desired ways, c) to prepare stable, printable dispersions of either nanoparticles  synthesized  in‐house  or  of  commercially  available  particles.  Both  aqueous  and  organic dispersions are of interest, as different printing techniques have different requirements in terms of the solvent properties. During the year we have synthesized and thoroughly characterized a wide range of both  porous  and  non‐porous  nanoparticles,  including  SiO2,  TiO2,  SiO2/Fe3O4,  and Mn2O3. All  of  these particles are available  in particle sizes < 100 nm and as stable aqueous dispersions, which makes them ink‐jet printable. Different means of  surface  functionalization of  the particles have been evaluated  in order  to  optimize  the  dispersion  stability  at  neutral  pH.  Furthermore,  many  of  the  particles  have additional  functionality,  including  superparamagnetic  and  fluorescent  properties.  Additionally, biologically active particles have been of special interest, where the particles contain active substances within  the  internal  porosity,  linked  to  the  outer  particle  surface  or  both.  Extensive  electro‐kinetic characterization  of  non‐aqueous  dispersions  has  also  been  carried  out,  again with  special  focus  on dispersion stability. This is an important area of research, as non‐aqueous dispersions have been studied to a much lesser extent than aqueous dispersions, and relatively few literature reports can be found in this area. This  is especially  true  for mixed‐solvent dispersions, which often are of key  interest  for  ink‐formulation.  

  

Thermodynamic Characterization of Lewis Functionalities on Dispersed Nano‐Materials 

 Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPC Björn Granqvist, Gun Hedström and Jarl B. Rosenholm  On  the molecular  level  it  is  customary  to  subdivide  the  interaction  forces  into: nondirectional purely dispersive (hydrophobic) forces as well as directional Lewis acid‐base forces and electrostatic forces. The first mentioned two groups are in the older literature related with the denotation van der Waals forces. In modern literature the directional dipolar forces are referred to as Lifshitz‐van der Waals interactions.  

The acid‐base concept  is usually understood solely as a proton exchange (Brønsted activity), while the 

Lewis  acid‐base  concept  has  attracted  less  attention  despite  its  great  importance.  The  Brønsted interaction  is  typical  for  aqueous  solutions.  The  proton  exchange  produces  charged  species  being involved in electrostatic interactions.  The Lewis interaction, on the other hand, is characterized by the formation of  an  adduct between  an  acid  (electron  acceptor)  and  a base  (electron donor).  The  Lewis interactions  predominate  in  nonaqueous  systems,  such  as  oil  dispersions,  polymer  matrices (composites) and gas reactions (e.g. catalysts).  

Page 5: 3. Research 3.1 Theses

13  

The  aim  of  the  project  is  to  relate  the  thermodynamic  parameters  previously  derived  for  the characterization  of  the  Lewis  type  acid‐base  site  activities  on  functional  solid  surfaces  with  the properties  determined with  other  instrumental methods. As  a  result  of  this  characterization  a  semi‐empirical model will be developed which is based on the interaction parameters measured. The model enables  a  critical  evaluation  of  the  fundamental  criteria  upon which  the  published  theories  and  the related experimental methods are founded. 

Collaboration: Ian Wark Research Institute, Australia 

Publications:  B.  Granqvist,  G.  Hedström  and  J.B.  Rosenholm,  “Acid‐Base  Interaction  of  Probes  at  Silica  Surface Microcalorimetry and Adsorption”, Journal of Colloid and Interface Science, 333, 49‐57 (2009)  J.B. Rosenholm, “Solvent and Surfactant Induced Interactions in Drug Dispersions”, Colloids and Surfaces, A354, 197‐204 (2010).  

 

Theoretical  Modeling  and  Experimental  Verification  of  Specific  Ion‐Particle  and  Particle‐

Particle Interactions  

Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPC Per  Dahlsten,    Mats  Granvik,  Piotr  Próchniak,  Marek  Kosmulski,  Serge  Durand‐Vidal  and  Jarl  B. Rosenholm  The interaction of ions with solid particles in aqueous electrolyte solutions leads to a space separation of electric  charges  at  the  particle/solution  interfaces,  known  as  the  electrical  double  layer  (EDL).  The double  layer  is  manifested  in  the  electrokinetic  phenomena.  The  structure  and  properties  of  the resulting EDL have long been a focus of intense scientific research. The main research has been devoted to dilute aqueous disperse systems using such experimental techniques as electrophoresis. However, a relatively new method to determine the particle electrokinetic properties based on the electro‐acoustic phenomena  has  recently  been  elaborated.  Such measurements,  due  to  their  extended  applicability, have gained an exceptional interest in recent years.  

One of the major problems of such electroacoustic measurements  is the  interpretation of the signal at high  ionic  strength  and  particle  concentration.  To  the  best  of  our  knowledge,  the  signal  due  to  the added  supporting  electrolyte  is  not  accounted  for  properly  but  is  considered  as  a  background  noise which  should  be  simply  subtracted  from  the  total  signal. Alternatively  the  problem  is  accepted  as  a limitation  of  the  technique  itself.  However,  we  have  shown  that  the  salt  contribution  cannot  be neglected when the signal arising from the colloidal particles is weak (e.g. in the vicinity of the isoelectric point) and a simple subtraction cannot be performed because the various contributions are not additive.  In order to improve the interpretation of the electroacoustic signal and to extract important information concerning  the  nature  of  the  physicochemical  processes  at  the  particle  surface  (adsorption  of monovalent or multivalent  ions) a precise description of the salt contribution must be performed. We 

Page 6: 3. Research 3.1 Theses

14  

have therefore developed an analytical model which explicitly takes into account the relaxation effects and  the hydrodynamic  interactions between  the various  ionic  species  (individual  ions and  continuous liquid phase).   The  research has been supported by a prolonged collaboration with Prof. Marek Kosmulski, Dr. Serge Durand‐Vidal  and  Prof.  P.  Turq  who  are  leading  scientist  in  this  field.  As  a  proof  of  international appreciation  of  the  research  done  Department  of  Physical  Chemistry  has  been  asked  to  host  the International  Electrokinetic  Phenomena  Conference  in  2010.  The  outcome  of  the  proposed  joint multinational research would lay as an ideal example for the pre‐conference preparations.   Collaboration: Technical University of Lublin and Pierre and Marie Curie University of Paris VI  Publications:  M.  Kosmulski,  P.  Próchniak  and  J.B.  Rosenholm,  “The  IEP  of  Carbonate‐Free Neodynium  (III) Oxide”, Journal of Dispersion Science and Technology, 30,589‐591 (2009).  M. Kosmulski, P. Prochniak and J.B. Rosenholm, “Electroacoustic Study of Titania at High Concentrations of 1‐2, 2‐1 and 2‐2 Electrolytes”, Colloids and Surfaces, A345, 106‐111 (2009).  M.  Kosmulski,  P.  Próchniak  and  J.B.  Rosenholm,  “Electrokinetic  Potentials  of  Al2O3  in  concentrated Solutions of metal Sulfates”,.Journal of Colloid and Interface Science, 338, 316‐318 (2009).  Per Dahlsten, Piotr Próchniak, Marek Kosmulski, Jarl B Rosenholm,”Electrokinetic behavior of melamine‐ formaldehyde latex particles at moderate electrolyte concentration”,  Journal of Colloid and Interface  Science, 339, 409‐415 (2009).  Marek  Kosmulski,  Piotr  Próchniak,  Jarl  B.  Rosenholm,”Electrokinetic  study  of  adsorption  of  ionic surfactants on titania from organic solvents”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 348, 298‐300 (2009). 

Marek Kosmulski, Piotr Prochniak, and Jarl B. Rosenholm,”Control of Zeta potential in semiconcentrated 

dispersions of titania in polar organic solvents”, J. Phys. Chem., 113, 12806‐12810 (2009). 

Marek Kosmulski, Piotr Próchniak, Jarl B. Rosenholm,”Solvents, in which ionic surfactants do not affect  the zeta potential”, Journal of Colloid and Interface Science, 342, 110‐113 (2010).  Marek Kosmulski, Piotr Próchniak, and  Jarl B. Rosenholm,”Surface‐induced  electrolytic dissociation of oxalic acid in polar organic solvents”, Langmuir, 26(3), 1904‐1909 (2010).  M.  Kosmulski,  P.  Próchniak  and  J.B.  Rosenholm,  “Interaction  Between  Surface  Active  Solutes  and Surfaces of Metal Oxides in Polar Organic Solvents”, Submitted (2010.)  P.  Dahlsten,  P.  Prochniak,  M.  Kosmulski  and  J.B.  Rosenholm,  “Visco‐Coulombic  Characterization  of Aqueous and Alcoholic Titania Suspension”, Submitted (2010).  

 

Page 7: 3. Research 3.1 Theses

15  

Transport of Molecules and Ions in Porous Matrices   Main funding: Graduate School of Materials Research  Participating FunMat unit: DPC Espen Johannessen, Eddy W. Hansen and Jarl B. Rosenholm  Most  chemical  analyses  focus  on  equilibrium  properties.  However,  the  kinetic  properties  are  of immense  importance  for  the  accurate  modeling  of  chemical  reactions  and  processes.    Transport properties are most frequently related to capillarity and diffusion.                                 In porous matrices, such as membranes and porous solids the characterization  is restricted to  indirect measurements. From  the  flow  in and out of  the porous matrix conclusions are drawn concerning  the transport within  the  solid.  Low‐field  nuclear magnetic  resonance  provides  a way  to  investigate  the transport  of molecules  and  ions  in  situ.  The  transport may  further  be  used  to  interpret  structural constraints  for  the  diffusion  and  thereby  define  the  internal  structure.  In  this  project  models  are developed for the diffusion of molecules and ions in porous matrices, such as wood and silica matrices. The  tracheid  structure  is  revealed  for natural  and petrified wood  samples  and  for mesoporous  silica matrices.     Collaboration: University of Oslo, Norway  Publication:  E.H. Johannessen, E.W. Hansen and J.B. Rosenholm,”Diffusion Dependent Exchange Times Observed by PFG‐NMR”. Physical Chemistry Chemical Physics, submitted (2009)  

 

Molecular Understanding of Printability (MolPrint, ended 2007) 

 Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  Participating FunMat units: DPC, LPPC Mikael Järn, Carl‐Mikael Tåg, Joakim Järnström, Jouko Peltonen and Jarl B. Rosenholm  

The  investigation  of  liquid  spreading  on  solid  surfaces  is  usually  restricted  to  equilibrium wetting  of 

nearly  ideal,  smooth polymers. Due  to  its  complexity,  less attention has been directed onto dynamic 

wetting of rough, chemically heterogeneous polar surfaces. The aim  in this study  is  to apply the most 

common  models  developed  for  liquid  spreading  on  pigment  coated  paper  surfaces,  for  which  the 

equilibrium surface energy components have been determined previously. Two models have been used 

to model the spreading of liquids on solid surfaces; the hydrodynamic and molecular kinetic model. 

Hydrodynamic model describes  the energy dissipation  is a  result of viscous drag within  the spreading 

droplet. The hydrodynamic model has showed the following asymptotic time‐dependence: 

Page 8: 3. Research 3.1 Theses

16  

 

      R  t1/10       Θ  t‐3/10 

Molecular‐kinetic model by Blake and Haynes describes  the  three phase  contact  line movement as a 

stress modified molecular  rate process  involving adsorption of molecules of  the advancing phase and 

concurrent desorption of molecules of  the  receding phase,  respectively. The molecular  kinetic model 

has showed the following asymptotic time‐dependence:  

 

      R  t1/7          Θ  t‐3/7 

 

Publications:  Review:  C.‐M.  Tåg,  M.  Järn  and  J.B.  Rosenholm,“Radial  Spreading  of  Ink  and  Model  Liquids  on Heterogeneous Polar Surfaces”,  J. Adhesion Sci Tech, 24, 539‐565 (2010).  M.  Järn,  C.‐M.  Tåg,  J.  Järnström  and  J.B.  Rosenholm,“Dynamic  Spreading  of  Polar  Liquids  on  Offset Papers” , J. Adhesion Sci Tech 24, 567‐581 (2010).   J. Järnström, M. Järn, C.‐M. Tåg, J. Peltonen and J.B. Rosenholm,”Spreading of Probe Liquids on  Ink‐Jet Papers”, J. Adhesion Sci Tech in press (2010).  

 

Characterization and Control of Coating Layer Formation                                                                       Main funding: KCL and Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPC Rasmus Eriksson, Annaleena Kokko, Heikki Pajari and Jarl B. Rosenholm  

Industrially a most interesting question is what the result of interactions between particles in a coating 

slurry  is at process conditions. The  free  formation of  the coating  layer  is of particular  importance  for, 

e.g.  curtain  or  spray  coating  processes.  Sediment  density  and  rheology  has  been  utilized  for  the 

characterisation of  the state of dispersions. However,  the parameters  for  the modelling of  these  time 

dependent  processes  have  generally  been  extracted  from  dilute  model  dispersion  systems.  In  the 

present  project  the  macroscopic  effect  of  the  interactions  was  determined  at  solids  contents 

comparable  to  the  industrially  viable  systems.  This  opens  new  perspectives  to  comprehensively 

investigate homo‐ and hetero‐coagulation and flocculation processes in concentrated dispersions. 

However, at high  ionic  strength  the DLVO‐model  fails  to properly  represent  the experimental  results. 

Therefore, a number of correction terms have been added to the model. Such contributions are: steric 

repulsion,  Lewis  acid‐base  interaction  and  graininess  (packing)  of molecules  (hydration)  close  to  the 

Page 9: 3. Research 3.1 Theses

17  

surface.  From  an  industrial  point  of  view  the  extended  DLVO‐theory,  including  steric  interactions 

provides the ideal platform to investigate novel alternative coating processes such as curtain and spray 

coating (casting) processes. However, there is still a critical lack of proper understanding as concerns the 

interaction under real process conditions. No generally accepted theory covers this range. Another area 

of  restricted  research  activity  is  the  time‐dependent  flux  phenomena  during  dewatering  and 

sedimentation  i.e. transport of  liquid out from consolidating matrices. The  latter transport phenomena 

induces severe strain on  the paper which may bending  (warping of)  the paper and  induce cracks and 

heterogeneities in the coating layer. 

Collaboration: Helsinki University of Technology, University of Helsinki, VTT 

Publications:  R.  Eriksson,  H.  Pajari  and  J.B.  Rosenholm,”Shear  Modulus  of  Colloidal  Suspensions:  Comparing Experiment with Theory”, Journal of Colloid and Interface Science, 332, 104‐112 (2009)  R. Eriksson, A. Kokko, and  J.B. Rosenholm,  ”Rheological Characterization of  the  Influence of PVOH on Calcite Suspensions”, Langmuir, in press (2010)    

Precipitation and Aggregation of Asphaltene in Organic Solvents                                                                                   Main funding: Neste and Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat unit: DPC Bjarne Johansson, Rauno Friman, H. Hakanpää‐Laitinen and Jarl B. Rosenholm  

The total combinatory Gibbs  free energy was successfully used to model  the solubility of two purified asphaltenes  in neat and mixed solvents and the precipitation of the asphaltenes  from mixed solvents. Intrinsic  viscosity  and  particle  size  both  sensitively  reflected  the  state  of  the  asphaltenes  in homogeneous  solution  and were  used  for  determining  the  solubility  parameters  of  the  asphaltenes. Phase separation was clearly reflected by a dramatic increase in particle size. The interaction parameter was  subdivided  into  enthalpy  and  entropy  contributions.  All  parameters  indicate  an  extensive association  or  secondary  phase  transition  when  the  phase  border  was  followed  by  simultaneously varying the temperature and the solubility parameter of the solvent. However, derived in two ways, the enthalpy and entropy contributions lead to conflicting results. These were evaluated on thermodynamic grounds. 

Collaboration: Neste Oil Corporation, Technology Centre 

Publications:  Review: J.B. Rosenholm, “Solubility and Interaction Parameters as References for Solution Properties. I. Exceptional Mixing and Excess Functions”, Advances in Colloid and Interface Sciences, 146, 31‐41 (2009). 

 B.  Johansson,  R.  Friman,  H.  Hakanpää‐Laitinen  and  J.B.  Rosenholm,  “Solubility  and  Interaction Parameters  as  References  for  Solution  Properties.  II.  Precipitation  and  Aggregation  of  Asphaltene  in 

Page 10: 3. Research 3.1 Theses

18  

Organic Solvents”, Advances in Colloid and Interface Sciences, 147‐148, 132‐143 (2009).  B. Johansson, R. Friman, P. Denifl and J.B. Rosenholm, “Influence of Polymers on the Emulsified Hydro‐  carbon  Liquid  and  on  the  Surfactant  Stabilized  Toluene/Perfluoro‐octane  Emulsions”,  Journal  of Dispersion Science and Technology, 30, 989‐996 (2009). 

 Review: Jarl B. Rosenholm:”Critical comparison of molecular mixing and interaction models for liquids, solutions and mixtures”, Advances in Colloid and Interface Science, 156, 14‐34 (2010). 

 

 

Development of paper and for inkjet and electrophotography printing  Main funding: Industry  Participating FunMat units: DPC Carl‐Mikael Tåg, Petri Sirviö, Kaj Backfolk and Jarl B. Rosenholm,   Papers available on  the market  for high  speed  inkjet and electrophotography printing  can  roughly be divided into treated grades and high quality specialty paper grades. The treated grades usually perform well in 1‐color printing, printing of barcodes etc., but not so well in 4‐color printing. The very expensive high  quality  specialty  papers  perform well  in  4‐color  printing,  but  not  always  so well  in  printing  bar codes. Currently the high quality specialty paper grades are mainly produced on small paper machines, due to limited production possibilities. 

 The aim of the Inkjet and electrophotography paper project  is to develop paper grades which perform well  in  high  speed  inkjet  and  electrophotography  printing,  but with  less  complex  structure  and  at  a lower cost than current specialty papers. To do this, evaluation of what makes a paper good or bad for high  speed printing will be carried out. Additionally  the aim  is  to decrease  the paper waviness which causes problems in the post handling process of the printed product. 

Publications:  C.‐M.  Tåg,  M.  Pykönen,  J.B.  Rosenholm,  K.  Backfolk:”Wettability  of  model  fountain  solutions:  The influence on  topo‐chemical and –physical properties of offset paper”,  Journal of Colloid and  Interface Science, 330, 428‐436 (2009).  R.  Maldzius,  P.  Sirviö,  J.  Sidaravicius,  T.  Lozovski,  K.  Backfolk  and  J.B.  Rosenholm,  “Temperature‐Dependence of Electrical and Dielectric Properties of Papers for ElectroPhotography”, Journal of Applied Physics, 107, 1 (2010)  K. Backfolk, J. Sidaravicius, P. Sirviö, R. Maldzius, T. Lozovski,  and J.B. Rosenholm, ”Effect of Base Paper Electrolyte Content and Grammage on Electrical and Dielectric Properties of Coated Papers”, Submitted (2010)  

 

Page 11: 3. Research 3.1 Theses

19  

Biomass derived novel functional foamy materials (Bio‐Foam)  Main Funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  Participating FunMat units: LPC N. He, R. Friman and J.B. Rosenholm 

The  objective  of  the  project  is  to  develop  novel  functional  (solid)  foamy materials  from  renewable natural polymers and biomass. This will be achieved by combining advanced polymer modification and analysis  technologies  to  processing  operations.  The  final  aim  is  to  replace man‐made,  synthetic  and expensive  components  currently  used  in  porous  composite  structures  and  foams  with  renewable polymers and materials. The project belongs to the TEKES BioRefinery research framework. 

A special emphasis is to apply a theoretical model developed at LPC for polymer interaction in liquids for the  purpose  to  provide  numerical  specifications  for  and  interaction  predictions  of  the  polymers  and surfactants of particular  interest. The Gibbs‐Marangoni  conditions  for  the  formation of  the gas‐liquid (foam) interface will be established. Moreover, the aim is to establish the kinetics of foaming (drainage and  coalescence) with  conventional  techniques.  The  physico‐chemical  properties  (Hamaker  constant and repulsive potential) of the foam system will be related to the stability of the system.  

Collaboration: Forcit Ltd., ÅAU, VTT 

Publications:  N. He, R. Friman and J.B. Rosenholm, “Solubility parameters of biopolymers”, Submitted (2010)  

 

Internal Surfaces of mineral based functional materials (SIPI)  Main Funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  Participating FunMat units: LPC K. Gunnelius, J. Sarfraz, T. Lundin and J.B. Rosenholm  The  aim  of  the  project  is  to  develop  knowledge  of  introduction  of  functional  properties  to  porous inhomogeneous materials. When  the  interactions  of  nano‐scale  internal  surfaces,  nano‐particles  and nano‐scale  surfaces can be  tailored and  the growth of  the entire  structure and  its behavior adjusted. Then  the  reactions  induced by  the physico‐chemical properties  can be  controlled  to produce desired functionalities. By modeling a base  is created  for  the  tailoring of materials at different severe process conditions, such as extremely high pH and ion concentration.  The  focus  is  placed  on  characterization  of  the  interactions  between  inert  and  reactive  nano‐sized particles at extremely high pH and ion concen‐trations (pI‐levels). In particular, the attractive interaction forces  are  modeled  by  determining  the  complex  Hamaker  constant  and  the  repulsive  forces  are characterized by the effective zeta‐potential. In the next step the interactions are investigated for mixed dispersions, equaling model concrete in the presence of e.g. nano‐sized calcite and titania particles. The properties  of  concrete  slurries  and  pastes  are  characterized  for  their  particle  size  distribution, sedimentation  and  rheology. With  suitable  models  the  influence  of  polymeric  additives  and  nano‐particles  is established. The DLVO model  is used as a  self‐evident  starting point, but  it  is modified  to 

Page 12: 3. Research 3.1 Theses

20  

apply  for the extreme process conditions.  If possible the contribution  from particle packing typical  for concrete can be considered as a suitable model extension.       Collaboration: Industry, VTT  Publications:  K.R. Gunnelius,  Internal Surfaces of mineral based  functional materials  (SIPI): Rheology Project  report, Laboratoy of Physical Chemistry, Åbo Akademi University, 2010  J.  Sarfraz,  External  Surfaces  of mineral  based  functional materials  (SIPI):  Sedimentation, MSc  Thesis Laboratoy of Physical Chemistry, Åbo Akademi University (2009‐2010)  K.R.  Gunnelius,  T.C.  Lundin,  J.B.  Rosenholm:”A  comparison  of  the  rheological  properties  oa  aqueous 

suspensions of industrial anatase titania”, manuscript. 

K.R. Gunnelius, T.C. Lundin, J.B. Rosenholm:”Rheology os suspensions of an industrial calcium carbonate 

pigment at different shear rates and electrolyte concentrations”, manuscript. 

 

Influence  of  electrokinetic  charge  on  rheology  and  settling  of  non‐inert/reactive 

dispersions/suspension 

Main Funding: Saint Gobain / Maxit Ltd. and Nordkalk Ltd.  Participating FunMat units: LPC T. Lundin, K. Gunnelius and J.B. Rosenholm      The first part of the project aimed at rheometric characterisation of reactive suspensions dispersed to fluidity  for  enhanced  performance,  both  spatial  and  temporal.  Initially  standard  rheometers  were compared  for  basic  concordance  and  the  available  geometries  investigated  for  their  respective suitability.  Secondly  the  collected  data were  investigated  and  interpreted  to  apply  and  develop  the dispersion‐specific rheometer procedures. The various dispersions could be described at their different processing  stages  (e.g. mixing,  pumping  and  pipe  flow)  by  their  respective  rheological  performance. Rheometry offers thus tools to develop numeric descriptors of relevance in both product development, processing and application situations. A comparison of results obtained with different rheometers will always be  influenced by deviations  in their measuring geometries. The comparison reliability of results increased with minimised geometric deviations indicating good rheometer concordance.  In  the  second part of  the project  calcium  carbonate dispersions were  characterised by electrokinetic methods,  conventional  gravitational  settling  and  thermogravimetric methods.  The  colloidal  particles were initially unstable displaying rapid flocculation, agglomeration and settling tendencies due to strong interparticle attractive forces, following from high surface potentials. The time stability was assessed by an  approach  where  different  synthetic,  organic  polymers  were  added,  sorbed  and  analysed quantitatively. At native pH‐values (6‐7) the particles settled and coalesced rapidly  into  loosely packed sediments. At the point of zero charge (pzc) the particle repulsive forces were minimised that provided a strong agglomeration with a compressive‐type settling.  

Page 13: 3. Research 3.1 Theses

21  

 Collaboration: Saint Gobain / Maxit Ltd. and Nordkalk Ltd., VTT, HUT 

Publications:  T. Lundin, “Rheological characterisation of curing suspensions”, Project report, Laboratory of Physical Chemistry, Åbo Akademi University, 2009. (Confidential)  T. Lundin, “Characterization of NC‐suspensions, Project report, Laboratory of Physical Chemistry, Åbo Akademi University, 2010.  

Nanopatterned, Functional Surfaces by Design (NanoFused)                                                                                                                                                                                                                                                                                          Funding: Academy of Finland  Participating FunMat units: DPC, DPh Qian Xu, Jan‐Henrik Smått, Simon Sandén, Gytis Sliaužys, Ronald Österbacka, Mika Lindén  Nanostructured porous inorganic and hybrid inorganic‐organic films are interesting materials for a wide range  of  applications. Within  the  framework  of  the NanoFused  project  novel  thin  films  for  selected applications, with  special  emphasis  on  optoelectronics,  sensing,  and  cell  attachment, where  the  film structure  and  function  is  a  result  of  a molecular  optimization  and  design  process.  Thus,  the  project covers  all  aspects  from  synthesis,  characterization,  functionalization,  to  application.  Nanostructured films  of  semiconducting  metal  oxides,  like  TiO2  and  ZnO,  and  their  further  functionalization  by introduction of functional organic molecules serve as the basis for the material development. 

Non‐FunMat  project  partners:  Biomaterials  Center,  Turku,  Department  of  Chemistry,  University  of Joensuu 

Co‐operation: Pierre and Marie Curie University, Paris, France, Vilnius University, Vilnius, Lithuania 

Publications: M. Kuemmel, J.‐H. Smått, C. Boissière, L. Nicole, C. Sanchez, M. Lindén, D. Grosso, “Hierarchical inorganic nanopatterning (INP) through direct easy block‐copolymer templating”, J. Mater. Chem. 19, 3638‐3642 (2009)  S.  Lepoutre,  J.‐H. Smått, C.  Laberty, H. Amenitsch, D. Grosso, M.  Lindén,  “Detailed  study of  the pore‐filling  processes  during  nanocasting  of  mesoporous  films  using  SnO2/SiO2  as  a  model  system”, Microporous Mesoporous Mater., 123, 185‐192 (2009)  M. Järn, Q, Xu, M. Lindén, “Wetting studies of hydrophilic‐hydrophobic TiO2/SiO2 nanopatterns prepared by photocatalytic decomposition”, Langmuir, in press (2010)  

 Biologically guided nanoparticles – Targeting, safety and imaging technology (Biotarget) 

 

Funding: Academy of Finland 

Page 14: 3. Research 3.1 Theses

22  

 Participating FunMat units: DPC Lotta Bergman, Mika Lindén  The development of nanotechnology  is expected to  lead to fast  improvements  in medical  imaging and drug delivery. At the same time there are increasing concerns related to the safety issue. The aim of the project  is  to  develop  silica‐based,  biologically  targeted  nanoparticles,  which  could  be  used  in  drug delivery  or  in  the  targeting  of  antigens  to  immunoresponsive  cells  (vaccination).  Furthermore,  novel imaging methods will be developed  to  analyze  the  fate of  the particles  in  living  cells  and  tissues. Of special  interest  is  the  evaluation of  the biological  safety of  the particles  and one of  the  aims of  the project is to set criteria for nanoparticle toxicity in the immune system and at a single cell level. 

Non‐FunMat  project  partners:  Department  of  Biochemistry,  University  of  Turku, MediCity  research 

laboratory, University of Turku, Computer Science, Åbo Akademi University 

 

3g‐Nanotechnology based targeted drug delivery using the inner ear as a model target organ (NanoEar) 

Funding: EU 

Participating FunMat units: DPC Alain Duchanoy, Jessica Rosenholm, Lotta Bergman, Eva von Haartman, Mika Lindén  The  purpose  of  this  project  is  to  demonstrate  the  feasibility  of  targeted  drug  delivery  using nanotechniques. Third generation multifunctional nanopaparticles (3G‐MFNP), which are biodegradable and  traceable  in‐vivo, are being developed  for selective drug delivery.  In parallel, other nanoparticles; lipid core nanocapsules, plasmids, dendrimers and hyperbranched polymers are also being developed. The proposed  studies aim  to assess  the organ  specific drug delivery potential of nanoparticles  in  the inner  ear  as  an  experimental  target  organ.  The  unique  features  of  these  nanoparticles  include: biocompatibility,  biodegradability,  non‐toxicity,  and  EU‐approved material  composition.  The  surface characteristics of these particles can be designed for selective targeting of specific tissues and cell types. In  this project we will  target sensory epithelium  (inner ear hair cells), spiral ganlion cells and vascular tissue (stria vascularis) of the inner ear. The structure of the 3G‐MFNPs allows incorporation of a drug, gene or gene product as well as tracers, permitting in‐vivo verification and quantification of their release and distribution  to  target sites using Magnetic Resonance  Imaging  (MRI)‐based  technology. The nano‐layers are developed for special body sites were bioactive electrodes are used for drug delivery. 

Non‐FunMat project partners: 25 partners from all over Europe 

Publications: J.M. Rosenholm, E. Peuhu, L. Tabe Bate‐Eya,  J.E. Eriksson, C. Sahlgren, M. Lindén, “Cancer‐Cell‐Specific Induction of Apoptosis Using Mesoporous Silica Nanoparticles as Drug‐Delivery Vectors”, Small, in press  J.M.  Rosenholm,  C.  Sahlgren, M.  Lindén,  “Towards  intelligent,  targeted  drug  delivery  systems  using mesoporous silica nanoparticles – Opportunities & Challenges”, Nanoscale, in press 

 

Page 15: 3. Research 3.1 Theses

23  

Specific Targeting of Cancer Cells by Design ‐ Nanoparticles as Drug Delivery Systems 

Funding: Tor, Joe and Pentti Borg foundation  

Participating FunMat units: DPC Jessica Rosenholm, Mika Lindén   One of the big challenges of medicine today is to deliver drugs specifically to the defected cells. This is of 

special  importance  in cancer treatment as many of the pharmacological agents developed are harmful 

for non‐cancerous cells. The aim of the project  is to develop and evaluate the use of nanoparticles as 

delivery  systems  to  specifically  target cancer cells. Due  to  the  large  surface area and  the controllable 

surface  functionality of  the  silica nanoparticles,  they  can be  loaded with  large amounts of drugs and 

coupled  to molecules of choice  for  targeting purposes. Preliminary data  show  that particles  linked  to 

tracking molecules  are  specifically  recognized  and  taken up by  cancer  cells  as  compared  to particles 

lacking  these  tracking  devices. A  long  term  goal will  be  to  evaluate  the  power  of  these  particles  to 

selectively target cancer cells in vivo in a mouse tumor model. 

Non‐FunMat project partners: Department of Biology, Åbo Akademi University 

Publications: J.M. Rosenholm, A. Meinander, E. Peuhu, R. Niemi,  J.E. Eriksson, C. Sahlgren, M. Lindén, “Targeting of Porous Hybrid Silica Nanoparticles to Cancer Cells”, ACS Nano, 3 197‐206 (2009)  J.M.  Rosenholm,  E.  Peuhu,  J.E.  Eriksson,  C.  Sahlgren, M.  Lindén,  “Targeted  Intracellular  Delivery  of Hydrophobic Agents Using Mesoporous Silica Nanoparticles as Carrier Systems”, Nano Letters, 9 3308‐3311 (2009)   Versatile Metal Oxide Materials for Usage as Biomolecular Separation Media and Sensors 

Funding: Academy of Finland 

Participating FunMat units: DPC Motolani Sakeye, Mika Lindén, Jan‐Henrik Smått  The  overall  aims  of  the  applied  project  are  twofold:  a)  to  synthesize,  characterize,  and  functionalize novel non‐siliceous porous materials with a controlled morphology, and b) to study the performance of these  materials  in  selected  nanotechnological  applications  in  order  to  establish  rational  structure‐activity  and  composition‐activity  relationships.  The  chosen  applications  are  namely  phosphopeptide enrichment, phospholipid coatings  for use  in analyte‐membrane partitioning  studies, and gas sensors. Especially within  the  fields of biomolecule  separation and gas  sensing,  it  is  important  to differentiate between  the  influences  of  the  surface  chemistry  on  the  one  hand  and  the  pore  structure  and macromorphology  on  the  other. When  successful,  the  obtained  results  can  serve  as  a  platform  for further rational material optimization cycles, rather than having to use a time consuming trial and error method. 

Page 16: 3. Research 3.1 Theses

24  

Collaboration: Department of Biology, Åbo Akademi University, University of Vienna, Vienna, Austria, 

Universität Paderborn, Paderborn, Germany, University of Alabama, USA 

Publications: S.Y.  Imanishi, P. Kouvonen,  J.‐H. Smått, M. Heikkilä, E. Peuhu, A. Mikhailov, M. Ritala, M. Lindén, G.L. Corthals,  J.E.  Eriksson,”  Phosphopeptide  enrichment with  stable  spatial  co‐ordination  on  a  titanium oxide coated glass slide”, Rapid Commun. Masspectrometry,  23,  3661‐3667 (2009)  A.  Leitner,  M.  Sturm,  J.‐H.  Smått,  M.  Järn,  M.  Lindén,  K.  Mechtler,  W.  Lindner,  “Optimizing  the Performance of Tin Dioxide Microspheres for Phosphopeptide Enrichment”, Anal. Chim. Acta, 638 , 51‐57 (2009) 

A. Leitner, M. Sturm, O. Hudecz, M. Mazanek, J.‐H. Smått, M. Lindén, W. Lindner, K. Mechtler, “Probing the  phosphoproteome  of  HeLa  cells  using  nanocast metal  oxide microspheres    for  phosphopeptide enrichment”, Anal. Chem., in press 

F. Maddox, C. Cook, L. McKenzie, B. O'Neil, E.A.  Junkin, C. Redden, S. Basu, M.G. Bakker,  J.‐H. Smått, Mika  Lindén,  “Development  of  Ultrahigh  Surface  Area  Porous  Electrodes  using  Simultaneous  and Sequential Meso‐ and Micro‐structuring Methods”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1127,  T04‐08 (2009) 

F. Maddox  Sayler, M.G. Bakker,  J.‐H.  Smått, M.  Lindén,  “Correlation  between  Electrical  Conductivity, Relative Humidity and Pore Connectivity in Mesoporous Silica Monoliths”, J. Phyc. Chem. C, in press 

 

Synthesis  and  characterization  of  magnetic,  gold‐functionalized  nanoparticles  for  use  in 

biological applications 

Funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES) 

Participating FunMat units: DPC Lotta Bergman, Jessica Rosenholm, Mika Lindén 

Self‐assembly  based  synthesis  of  nanoparticles  is  a  highly  versatile  route  towards  state‐of‐the‐art nanoengineering  of  functional materials. One  of  the most  promising  areas  of  nanoparticle  research, both  in  terms of academic  interest and possibilities  for high‐value applications,  is nanoparticle‐based systems same particles. The aim of the project is to synthesize magnetic particles surrounded by a silica core onto which gold nanoparticles are  immobilized, but with a  labile bond, so  that  the gold particles can be released by external stimuli. The final aim of the project is to use the magnetic silica particles as carriers for genes which are attached to the gold nanoparticles, and the gold particles together with the genes are then released locally in order to enhance the expression of the genes.  

Collaboration: Shanghai Jiao Ting University, Shanghai, China 

 

 

 

Page 17: 3. Research 3.1 Theses

25  

Printable gas sensors (Sub‐project of the larger Flex‐Sense consortium project)  Funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES) 

Participating FunMat units: DPC, DPh, LPT Jawad Sarfraz, Daniel Tobjörk, Ronald Österbacka, Mika Lindén  The  aim  of  this  project  is  to  develop  printable  gas  sensors  based  on  polyaniline  using  paper  as  the substrate. The target gases are H2S and NH3, and we are focusing on  irreversible sensors which can be used as low‐cost sensors for example within the food packaging industry.  

 

II‐RC 

Funding: Stora Enso 

Participating FunMat unit: DPC Janne Puputti, Mika Lindén  Industrial proprietary project. 

 

Development and application of magnetic, silica‐magnetite nanoparticles for use in high‐throughput 

biological applications  

 Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES) 

Participating FunMat unit: DPC Lotta Bergman, Jessica Rosenholm, Mika Lindén  The project  focuses on  the development of  composite particles of  superparamagnetic  iron oxide and mesoporous silica to be used for selective separation of biomolecules from complex biological fluids by a combination of molecular recognition and magnetic fields.  

Collaboration: Shanghai Jiao Ting University, Shanghai, China and three companies 

 

 

 

 

 

Page 18: 3. Research 3.1 Theses

26  

3.2.2 Synthesis of organic particulate meso‐structures and core/shell capsules Professor Carl‐Eric Wilén  At present some of the most exciting work on advanced functional  material development is being made in macromolecular  sciences and  engineering due  to plastics  versatility with  respect  to  chemical and  mechanical  properties.  It  has  now  become  possible  to  introduce specific  properties  to  polymeric materials  in  terms  of  morphology, topology,  interconnected  porosity  and  functionality  through molecular engineering  and/or  processing.  As  a  consequence  of  this,  functional   polymers  have  been developed  for a wide  range of applications   including optoelectronics  (conducting polymers, magnetic polymers and  polymers for nonlinear optics), photographic materials, sensors, paper  coatings, specialty membranes, gels, biomaterials, organic catalysis  (supported catalysts), paints, additives, etc.   Our objective is to introduce specific functionality to various polymeric materials by controlled synthesis, post modification, blending or by addition of specialty additives. In particularly, the correlation between material properties and chemical composition is of great interest. The aim is to prepare novel polymeric materials that can successfully be used  in various electronic devices by paper industry, printing houses and industry specialized in diagnostics.   The  laboratory  of  polymer  technology  at  Åbo  Akademi University within the  FUNMAT  consortia will focus on  the  following  topics:  a)  radiation induced  grafting b) polymer  synthesis  (e.g.  controlled  free radical polymerization  techniques)  of  biopolymers  and  dispersing  agents,  c) preparation  of  functional organic‐mineral  hybrid  materials  and  d) design  and  use  of  novel  plastic  additives  and modifiers  e) ion conductive membranes that can be utilized in OFETs and various organic devices. 

 

Development of two component oxirane ester paint hardeners 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Minna Kaskinen, Ari Rosling and Carl‐Eric Wilén 

 The aim of  this  thesis  is  to gain knowledge of  the characteristics and behavior of  the  two component oxirane ester paint hardener Duasolid 50. The current synthesis is studied and the product is developed. The main goal  is  to decrease  the amount of  free chlorendic acid  in  the product as well as  to obtain a clear and colorless product with desired viscosity and hardening properties. 

The theoretical part of this thesis deals mainly with paints and coatings in general, their composition and properties and the basic reactions behind the synthesis of Duasolid hardener. The raw materials used in the  experimental  part  of  this work  are  presented  and  the  polymer  definition  according  to  REACH  is reviewed. The last chapter goes shortly into the safety issues related to the laboratory work. 

In the experimental part of this study three series of experimental hardeners were synthesized. Series 1 was  a  screening  series  of  14  different  kinds  of  hardeners.  Based  on  the  viscosity  and  hardening properties of these synthesis products a 23 factorial design was planned in order to model the effect of the raw material composition on the viscosity of the hardener. Series 2 consists of the 11 syntheses of 

Page 19: 3. Research 3.1 Theses

27  

the factorial design plan. After the factorial design series additionally 4 complementary syntheses were carried out (Series 3). 

The  physical  and  chemical  properties  of  the  experimental  hardeners  were  determined  and  the hardeners’ performance in a paint system was studied. 

In  comparison  with  current  Duasolid  hardeners,  the  new  experimental  products  showed  improved appearance. Almost all of  the hardeners were  clear and  colorless. The amount of  residual  chlorendic acid in the products was also decreased significantly in certain syntheses. 

Regression models obtained  from  the  factorial design  can be utilized  in designing experiments  in  the future. According  to  their appearance and drying properties, some of  the hardeners might as such be ready for taking into production. 

Cooperation: Tikkurila  Publication:  Minna Kaskinen, Master thesis 2009    

Modified Maleimide Copolymers 

Main funding:  Center of Excellence in Functional Materials 

Participating FunMat unit: LPC Mia Koskinen and Carl‐Eric Wilén  The reaction between maleic anhydride and amine produces maleimide and can easily be tailor‐made by using  different  primary  amines  to  give  functionality  with  designed  properties.  We  have  prepared aqueous  nanodispersions  of  modified  poly(styrene‐co‐maleimide)  (SMI)  and  poly(octadecene‐alt‐maleimide)  (OMI)  from  respective maleic anhydrides which both are commercially available polymers with  high  thermal  stabilities.  [1‐3]  Modifications  (see  Scheme  1)  were  done  by  4‐amino‐2,2,6,6,‐tetramethylpiperidine (TAD), L(+)‐aspartic acid (ASP) and fluorinated compounds. Finally we applied the modified maleimide nanoparticles on paper coating as speciality pigments.   

 

 

Scheme 1: Modified maleimide copolymers where R1 is phenyl (SMI) or n‐hexadecyl (OMI) and R2 is TAD, 

ASP, TFEA or HFEA.  

 

O O

H2CHC

R1

R2

N

Page 20: 3. Research 3.1 Theses

28  

We  have  successfully  modified  poly(styrene‐co‐maleimide)  and  poly(octadecene‐alt‐maleimide) copolymers  by  4‐amino‐2,2,6,6,‐tetramethylpiperidine,  L(+)‐aspartic  acid  and  fluorinated  compounds. These modified  copolymers  were  applied  in  paper  coating  as  auxiliary  pigments.  Full  effect  of  the modifiers  was  not  yet  achieved  and  thus  their  concentration  requires  further  optimization.  The possibilities for modification of this versatile material are numerous.  

Collaboration: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES), Center of Excellence for Functional Materials  (FunMat), Ciba Speciality Chemicals and NV Topchim SA  for  scientific advice and funding of the project.  

Publications:  Ahokas,  Mia;  Wilen,  Carl‐Eric      “Synthesis  of  poly(styrene‐co‐maleimide)  and  poly(octadecene‐co‐maleimide) nanoparticles and their utilization  in paper coating”,     Progress  in Organic Coatings,   66(4),  377‐381 (2009)    Mia Ahokas, Carl‐Eric Wilén,  "Modified and Functional Maleimide  copolymers",  submitted  to Polymer Bulletin  Mia  Ahokas,  Carl‐Eric  Wilén,  "Poly(styrene‐co‐maleimide)/Kaolin/Alumina  trihydrate  Hybrid  Coating Pigments for Paper and Board ", submitted to Progress in Organic Coatings.  

Production of bioactive paper and fibre products (BioAct) 

Main funding: Finnish Funding Agengy for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat units: LPT, LPCC Pernilla Sund and Carl‐Eric Wilén  

The contribution by the Laboratory of Polymer Technology to the BioAct project consists of two parts: a) synthesis of  a macrocycle  library,  and b) development of  a printable monomer mixture,  that  gives  a hydrogel after UV‐initiatied polymerization. 

The  macrocycle  library,  which  is  synthesized  on  polystyrene  beads,  is  intended  for  macrocycle‐functionalization of (bio)polymers, to be used primarily for sensors, but also for other applications. The task of the macrocycles is to achieve strong and specific interaction with the analytes. 

Although  combinatorial  libraries  have  been  used  extensively  for  drug  discovery,  few  have  been developed for other industrial purposes. For industrial applications, the priority is cheap monomers and synthesis,  and  good  chemical  stability.  Macrocycles  are  preferred  to  open  chains  because  the conformational  preorganisation  in macrocycles  gives  stronger  and  more  specific  association  to  the target. Macrocycles also have the ablility to strike a compromise between structural preorganisation and flexibility to achieve optimal binding. 

The macrocycle  library  is synthesized using solid‐phase synthesis  (SPS) on polystyrene beads, as a one bead  ‐  one  compound  library  using  the mix‐and‐split method.    The macrocycle  is  attached  to  the polystyrene  bead  using  a  linker  that  will  be  cleavable  for  the  library,  but  permanent  for  the  final application. The linker attachment point on the macrocycle ('head monomer') also functions as the site for ring‐closure. The rest of the macrocycle consists of an amide oligomer. The chemistry used for ring‐

Page 21: 3. Research 3.1 Theses

29  

closure  is 1,3‐dipolar cycloaddition between a propargyl group and an azide group, the  latter attached to the end monomer. 

For the  first attempt at making a macrocycle, a phenacyl  linker, and a rather complex head monomer syntheized  in  solution was used. The completed 14 atom macrocycle was cleaved off with hydrazine, chromatographically  purified  and  characterized  by  nuclear  magnetic  resonance  (NMR)  and  mass spectrometry (ESI‐MS). 

Because  of  different  shortcomings,  a  new  linker  and  a  smaller  and  more  easily  synthesized  head monomer was also made, and the testing of these is ongoing. 

Hydrogels. A printable hydrogel must  remain  liquid  in  the printing process, and  then be cured  into a non‐flowing  hydrogel  afterwards.  To  achieve  this,  UV‐polymerizable  inks  based  on  acrylic  acid monomers have been  tested.  The  swelling of  the  corresponding hydrogel depends on pH,  so  that  in acidic solution, where  the carboxyl groups are un‐ionized,  the swelling  is  low, while  in basic solutions with ionized carboxyl groups, the hydrogel will swell. 

The hydrogels were composed of acrylic acid, a crosslinker, a sensitizer, and a solvent. Several solvents were tested for printability and gel properties. 

Collaboration: VTT and industry.  Publication:  ChenThan, Master Thesis to be finalized by June 2010.    

In vitro study on cell adhesion and signaling on degradable bioactive composite surfaces       

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Eeva Orava and Ari Rosling  

The project has recently started and the aim of the research  is to study cell adhesion, maturation and cell released biochemical molecules in contact with various polymeric implant surfaces. A key role in the success or failure of an implanted material or device is the level of influence that the material can exert over  cell  differentiation.    Modulated  surface  properties  are  expected  to  affect  the  adhesion, differentiation and proliferation of cell. Suitable chemical triggers or surface topography can determine the cell behaviour at the implant surface. The project will provide valuable information on the control of cell contact on different surfaces, which can be utilized in optimization of tissue engineering scaffolds. 

Collaboration: The work was performed in collaboration with Dr. Molly Stevens, Reader in Regenerative Medicine and Nanotechnology at Imperial Collage London, UK, where the practical work is performed. 

 

 

 

Page 22: 3. Research 3.1 Theses

30  

Reactive in situ curing polymers for regenerative medicine 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Peter Uppstu, Ari Rosling 

The purpose of  this  study  is  to develop a viscous  in‐situ hardening,  though biodegradable  composite material  for  cartilage  and  bone  defects.  Polymer  synthesis will  be  developed  and  subsequent  curing reactions are studied by DSC. The rheological properties of the initial dough and its setting behavior will further be studied. 

Collaboration: Vivoxid LtD, Finland 

Publication:  Patent negotiations ongoing.   

Hydrophilization of PLLA by blending with hydroxy‐modified  poly(lactide‐co‐caprolactone). 

Porous scaffold preparation and their hydrolytical degradation in SBF.  

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Peter Uppstu, Eeva Orava, Ari Rosling 

Porous  biodegradable matrices  based  on  synthetic  aliphatic  polyesters  are  used  in  several medical applications.  They  are  usually  synthesized  by  ring  opening  polymerisation  from  corresponding  cyclic diesters. Copolymers with different compositions and molecular weights can further be synthesized to achieve  specific  physical  and  chemical  characteristics.  Despite  an  ample  amount  of  studies  these materials often remains too hydrophobic being difficult to wet.  

Our main  objective  is  to  prepare  new  tailored  synthetic  biodegradable  polyester‐based  homo‐  and copolymers especially with  improved water adsorption properties. The ultimate scaffold structures are primarily intended for utilization either as temporary scaffolds or as carriers for bioactive molecules and bioactive inorganic materials. 

 Collaboration: Vivoxid LtD, Finland 

Publication:  Patent issues are under negotiation  

Rheology of Plastic Bonded Explosives 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Jonas Lithén, Ari Rosling 

Page 23: 3. Research 3.1 Theses

31  

Plastic  bonded  explosives,  (PBX),  are  high  explosive  compositions  consisting  of  high  explosive compounds, polymer‐based binders and additives. Their advantages are many e.g. more easily shaped when  casting  or  compressed  into  complex  shapes,  as  traditional  explosives  which  usually  requires hazardous melting. Ideally PBXs are low viscosity compositions enabling them to be poured into complex moulds  with  thin  flow  channels,  like  mines  or  grenades  or  booster  caps.  Low  viscosity  makes manufacturing  in  large  scale  less  complex  and enables more  freedom  in design  and  the  composition does not need  to be heated  for viscous casting purposes. A big problem  is  to optimize explosive and flowing properties of PBX compositions. Increased solid explosive content increases explosive power but also increases sensitivity and viscosity. 

The research results are confidential.  

Collaboration: Forcit Ab, Finland 

Publications:   Jonas Lithen, "Rheology of Plastic Bonded Explosives" Master Thesis 2009   

Novel Biopolymer Coatings 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Mohammad Kajeheian (Master thesis), Virpi Ääritalo, Nasir Zeeshan (Master thesis), Anton Holappa, 

Carl‐Eric Wilén and Ari Rosling 

The purpose of food packaging  is to preserve the quality and safety of the food as well as protect the product  from  physical  and  chemical,  or  biological  damage.  For  over  50  years  polyethylene  based materials have been the most frequently used packaging material by the food  industry. Environmental concerns  regarding  use  of  non‐renewable  oil  resources  and  constantly  growing waste  streams  have brought  to  attention  alternative  packaging  materials  from  renewable  sources  that  are  capable  of degrading in soil or during composting. 

Paperboard with a polymer coating may serve as packaging material for many products, not only food. The end application though strongly dictates the necessary material properties. 

In  this  project  we  develop  packaging  products  based  on  biodegradable  polymers  from  annually renewable sources. The polymer properties are tailored to meet requirements set forth by processing, conversion and end use applications. 

The research results are subjected to confidentiality agreement between StoraEnso and Åbo Akademi 

University.  

Collaboration: Stora Enso, Finland 

Publication:  Zeeshan  Nasir  "Correlating  Polymer  Thermal  Properties with  Heat  Sealing  Properties" Master  thesis 2010. 

Page 24: 3. Research 3.1 Theses

32  

Novel Biomaterials for Cartilage Tissue Engineering 

 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat unit: LPT Peter Uppstu, Virpi Ääritalo, Ari Rosling 

The  aim  of  the  project  is  to  develop  novel  biomaterials  for  cartilage  repair.  The  combination  of chondrocytes  in novel biodegradable scaffolds  implanted  to  the cartilage  lesion site may  facilitate  the repair of  joint  cartilage and  the underlying bone  faster and better  than  the  current  surgical methods available. The major problem  in applying these tissue technologies to clinical use has been the  lack of proper  implant materials.  Thus  focusing  in  the  biomaterial  development  is  essential.  Small  cartilage damages may be treated with gel‐like implants. Large cartilage damages, where the bone is intact, need mechanically more  rigid  implants.  In  injuries where  also  the underlying bone has been damaged,  an implant with both bone and cartilage repairing features is needed.  Our  research  group  has  the  objective  of  producing  and  testing  novel  biomaterials  for  osteochondral lesion repair studies. The aim is to produce a porous scaffold, which will then be combined with human recombinant collagen II gel and chondrocytes. 

Collaboration: Tampere Technical University, Helsinki University, Fudan Universtiy Hospital,  Zhongshan, 

Shanghai, China and several industrial partners. 

 

GREEN COMPOSITE ‐ Environmental‐friendly and strong woodfibre reinforced 

starch/hemicellulose composite. 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Duanmu Jie, Ari Rosling 

The  aim  of  the  present  work  is  to  develop  environmental‐friendly  structural  composites  based  on woodfibres and starch/hemicellulose from Nordic agriculture and forestry biomass streams to substitute conventional synthetic composite materials from fossil hydrocarbons. Thus we forward an added value to the already existing production of both starch/hemicelluloses and cellulose. 

 

Our  earlier  work  has  dealt  with  allylglycidylether‐modified  starch  with  very  low  to  high  degree  of substitution  which  has  been  transformed  into  wood  fiber  reinforced  composites.  The  high  degree substitution‐matrix (HDS) was suitable for composite preparation even with extremely high wood fibre contents. The  less manipulated LDS matrix also exhibits good matrix‐fibre contact, though  it produced composites  with  heterogeneous  surface  properties.  The  heterogeneity  is  also  reflected  in  the  LDS composites mechanical properties. Though, with a partial enzymatic degradation the LDS matrix became more processable and the hygromechanical properties reached those of HDS. Microfribrillated cellulose where also tested for its reinforcing properties at 10 w% fiber loadings, showing similar tensile strength properties as those made of LDS and HDS with 40‐60 w% soft wood fiber loadings. However, the water 

Page 25: 3. Research 3.1 Theses

33  

adsorption was dramatically  reduced. The upcoming studies will concentrate on utilization of  forestry biomasses (e.g. hemicelluloses) for composite preparation. Focus  is placed on developing strategies to bring forward processes implementable in to industrial scale processes. 

 

Collaboration: STFI‐Packforsk AB, Sweden, KTH University, Sweden, Wallenberg Wood Science Center 

 

Effects of Titanium dioxide /PCC masterbatch compositions on polyethylene films with regard 

to brightness and opacity.  

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Nasir Zeeshan, Ari Rosling 

Precipitated  calcium  carbonate  (PCC)  is  a useful  additive  for  a wide  range of plastic  and  elastomeric applications.  Its  crystalline  shape  and  availability  in  variable  particle  size  together  with  given hydrophobicity, provides enhancement of both polymer processing and subsequent physical properties. 

In  this  study  filled  polymer  films  were  made  by  masterbatch  extrusion.  The  masterbatches  were prepared of commercial TiO2 which was partially substituted with experimental PCC filler. The films were tested especially for brightness, opacity and tensile properties. Filler distribution was studied with SEM.   

Collaboration: FP‐Pigments Oy, Finland 

 

Design of novel non‐halogenated flame retardants – combustion and polymer scientists join 

forces 

Main funding: Academy of Finland and Ciba Specialty Chemicals 

Participating FunMat unit: LPT  Melanie Aubert, Weronica Pawelec, Teija Tirri, Ronan Nicolas and Carl‐Eric Wilén   

Flame retardants have been used for centuries to reduce the flammability of materials;  in the modern society  inexpensive and effective brominated  flame  retardants are used  in public  transport  (aircrafts, cars,  trains,  etc.),  buildings/constructions  and  increasingly  in  housings  for  electrical/electronics equipment. However, a  serious  subset of  these halogenated  flame  retardants are  that new evidence shows that they persist in our environment, bioaccumulate in the food chain and in our bodies, and may cause adverse effects in our children. This means that brominated flame retardants should be replaced with safer non‐halogenated alternatives.  

Recently, we have been able  for  the  first  time  to  identify azoalkanes as a novel and effective class of flame retardants for polyolefins. This observation has opened up new opportunities to design a number of non‐halogenated flame retardants based on diazene and related structures that are of both academic and  industrial  interest.  Currently,  we  are  exploring  in  detail  the  structure‐property  relationships  of various diazene derivatives and investigating their synergistic effects with conventional flame retardant systems.  

Page 26: 3. Research 3.1 Theses

34  

Our  aim  is  to  further  make  considerable  advances  in  flame  retardancy  of  polymeric  materials  by combining for the first time the skills and knowledge of combustion and polymer scientists. We believe that by better understanding  the broader aspects of  combustion and  interaction of  flame  retardants therewith would enable us to design environmentally  friendly  flame retardant systems with enhanced performances.  This  effort  will  be  based  on  interdisciplinary  work  and  sound  scientific  principles  to construct a novel tool‐box that will be helpful in rendering any polymeric material fire retardant.  Collaboration:  Finnish  Academy  of  Science,  Ciba  Specialty  Chemicals,  Switzerland,  and  Process Chemistry Centre, Åbo Akademi University  Publications:  Melanie Aubert, Ronan C. Nicolas, Weronika Pawelec, Carl‐Eric Wilén, Michael Roth, Rudolf Pfaendner “Azoalkanes ‐  novel flame retardants and their structure property relationship” Polymers for Advanced Technologies“,  in press, DOI: 10.1002/pat.1642 (2010)  Mélanie  Aubert,  Carl‐Eric  Wilén,  Rudolf  Pfaendner,  Simon  Kniesel,  Holger  Hoppe  and  Michael  Roth, “Bis(1‐propyloxy‐2,2,6,6‐tetramethylpiperidin‐4‐yl)‐diazene  –  an  innovative  multifunctional  radical generator  providing  flame  retardancy  to  polypropylene    even  after  extended  artificial weathering  ”  Polymer Degradation and Stabilization, in press Doi:10.1016/j.polymdegradstab.2010.02.035 (2010)   

Non‐halogenated fire retardants for two component polyurethane adhesive  Main funding: Industry  Participating FunMat unit: LPT Bartosz Ziółkowski, Norouzian Amiri, Melanie Aubert, Teija Tirri and Carl‐Eric Wilén  

This work  has  been  focusing  on  finding  suitable  non‐halogenated  flame  retardants  for  polyurethane adhesives. Firstly, a broad literature study has been conducted in order to find suitable candidates and secondly novel flame retardants have been synthesized and admixed with the polyurethane precursors, i.e. polyol.  The  flame  retardant  testing of polyurethane plaques has been mainly  conducted by  cone calorimeter, whereby the rate of heat release, total heat release, amount of residue and average rate of heat emission values have been recorded and analyzed.  Collaboration:  Kiilto Oy and Process Chemistry Centre, Åbo Akademi University  Publications:  Bartosz  Ziólkowski,  "Non‐halogenated  fire  retardants  for  two  component  polyurethane  adhesive" Master Thesis 2009.  Norouzian  Amiri,  Carl‐Eric  Wilén,  "Polyurethane  nanocomposites  and  their  preparation  and  flame retardant properties" submitted to Polymers for Advanced Technologies.  

 

Page 27: 3. Research 3.1 Theses

35  

Porous  versus  novel  compact  Ziegler‐Natta  catalyst  particles  and  their  fragmentation  during  early 

stages of bulk propylene polymerization 

Main funding: Industry 

Participating FunMat units: LPT, LPC Torvald Vestberg, Peter Denifl, and Carl‐Eric Wilén 

It  is well  known  that  the nature of  the  catalyst  support plays an  important  role  in polymerization of olefins with  Ziegler‐Natta  and  single  site  catalysts.  According  to most  of  the  present  literature,  the physical strength and porosity of the support and final catalyst has a strong  influence on both activity and polymer particle morphology. It was early suggested that it is the stress of the growing polymer that causes a progressive  fragmentation of  the catalyst particle. Galli et al stressed  that a catalyst, used  in propylene polymerization,  should have high  surface area and porosity as well as  suitable mechanical strength in order to give high activity and good polymer powder morphology in an industrial process. It is  also well  recognized  that  fragmentation of  the  catalyst during  the  early  stage of polymerization  is decisive for the final polymer powder morphology. 

In  several  studies  where  SiO2  has  been  used  as  support  it  has  been  observed  that  the  initial fragmentation of this support normally proceeds layer by layer. This has been shown with ZN catalyst for polyethylene  and  with  single  site  catalysts  for  polypropylene  and  polyethylene.  The  strength  and dimensions of the interconnecting network, in addition to the total pore volume, are important factors for controlling fragmentation and nascent polymerization with silica based catalysts. 

More  recently,  there  have  been  reports  in  the  literature  of  a  catalyst  that  has  neither measurable surface area nor porosity by BET analysis, but still has high activity and good powder morphology. The catalyst gives under mild conditions roughly the same activity  in the early stage of polymerization as a porous  catalyst  with  the  same  chemistry.  The  catalyst  gives  under  conditions  used  in  industrial processes good powder morphology. The behavior of this catalyst seems to conflict with what we know is  a  prerequisite  of  a  good  catalyst:  high  surface  area  and  porosity.  The  target  of  this  study  is  to investigate  fragmentation  of  the  catalyst, when  polymerization  is  conducted  under  typical  industrial process conditions, and to try to understand why the catalyst works so well despite its compactness. 

Collaboration:  Borealis Polymers 

Publications:  Valtola, Lauri; Hietala, Sami; Tenhu, Heikki; Denifl, Peter; Wilen, Carl‐Eric,     “Association behavior and properties of copolymers of perfluorooctyl ethyl methacrylate and eicosanyl methacrylate”.   Polymers for Advanced Technologies, 20(3), 225‐234 (2009).  Torvald  Vestberg,  Peter  Denifl,  Matt  Parkinson,  Carl‐Eric  Wilén,  “Effects  of  External  Donors  and Hydrogen Concentration on Oligomer Formation and Chain End Distribution in Propylene Polymerization with Ziegler‐Natta Catalysts”, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, in press; published online: Dec 7 2009 (2010). 

 

 

Page 28: 3. Research 3.1 Theses

36  

Relaxation of PEX pipes 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Sara Penttinen and Carl‐Eric Wilén  

Previously, it has been discovered that PEX materials possess useful memory based on the interplay between deformation and subsequent strong relaxation. After the material has been abruptly expanded the material still has a strong tendency to return to its original shape. Industry is exploiting this memory characteristic as a part  of  their  extended  PEX  pipe  technology  platform.  Thus,  inherent  pressing  power  of  the material  is nowadays of widespread use in various PEX pipe installations.  

 

Polymerization of vegetable oils in diesel engines 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Markus Finne, Carl‐Erik Wilén,  Juha‐Pekka Sundell and  Niklas Haga  

The purpose of  this research work was  to  investigate  the causes why  the polymerization of vegetable oils occurs, when  these are used as  fuel  in diesel engines.  It  is  shown  that  these oils  can polymerize under  specific  conditions,  especially  in  the  fuel  injection  system.  During  this  polymerization  a  firm product  is  produced,  which  can  cause  serious  problems.  To  elucidate  why  these  problems  occur laboratory experiments was done on different vegetable oils.  

In  laboratory surroundings the oils was reacted for a  longer time under similar circumstances as  in the fuel  system, where  these polymerization problems have appeared. These  tests were performed  in an Endeavor under slightly different conditions, whereupon the oils were analyzed accurately. The analyze instruments that were used were among others NMR and GC‐MS. In addition to this extensive tests on the oils were made in a DSC. Other things that were tested were for example the density of the oils from the different Endeavor runs. The solubility of a polymerization product from a power plant that was run on palmoil was also tested. 

These  tests  showed  that  the  oils  seem  to  undergo  an  oxypolymerization, which  is  a  polymerization process that can occur when oxygen is presented. This reaction showed to be very slow and it can also be  delayed  by  using  antioxidants  in  the  oils.  Factors  that  affect  this  kind  of  polymerization  are  for example temperature, reaction time and also the degree of unsaturation of the oils.   

Collaboration: Wärtsilä Finland Oy Power Plants 

 

 

 

 

Page 29: 3. Research 3.1 Theses

37  

Characterization and production of PEX pipes 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Anton Holappa and Carl‐Eric Wilén 

Pressurized polyethylene pipes have been used successfully for more than 50 years. In this work various production parameters have been optimized and various methods for fast characterisation of PEX pipes have been evaluated. 

Collaboration: KWH‐pipe   

Publication:  Anton Holappa, Master Thesis 2010  

Preparation of core‐shell latexes for paper coatings 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Mia Koskinen and Carl‐Eric Wilén   

Core‐shell  latexes,  composed of a  core  covered by a  shell,  can be prepared by a  two‐stage emulsion polymerization or seeded emulsion polymerization. The advantage of core‐shell latexes is their ability of having  a  composition of different monomers  in  core  and  shell,  and  thereby  giving  the particle  tailor made properties for each application. Via core‐shell polymerization  it  is also possible to get otherwise incompatible monomers into one particle or to add functionality either into the core or shell. 

A  series  of  core‐shell  latexes  with  a  partially  crosslinked  hydrophilic  polymer  core  and  a  hard hydrophobic shell of polystyrene were prepared in order to improve printability. Core‐shell latexes were prepared  by  a  two‐stage  emulsion  polymerization  by  sequential  addition  of  a monomer mixture  of styrene, n‐butylacrylate and methacrylic acid using different crosslinkers to form the polymer core and styrene  in the second stage to form the hard shell component. The prepared core‐shell  latex particles were used as specialty plastic pigments for paper coating together with kaolin as the primary pigment. The runnability of paper coating formulation by either using a laboratory scale Helicoater or pilot scale JET‐coating machine was very good. The produced coated papers were printed on both sides employing a heat set web offset  (HSWO) printer  in order  to study  the quality of  image  reproduction  in  terms of print  gloss,  print mottle,  print  through,  etc.  To  further  improve  latex  particles  a  new  polymerizable optical  brightener  1‐[(4‐vinylphenoxy)methyl]‐4‐(2‐phenylethylenyl)benzene  was  inclueded  during polymerization either  into  the  core or  shell. Overall  the  core‐shell  latexes  improved  the print quality. Furthermore,  the  results demonstrate  that by optimizing polymer  composition one  can affect optical properties of coated paper whereas the type of cross‐linker has a less pronounced influence on coated paper  properties  under  investigation.  By  modifying  paper  coating  it  is  possible  to  create  a  more favorable paper surface for functional printing or directly add functionality to it.  

 

Page 30: 3. Research 3.1 Theses

38  

Controlled living graft polymerization of ionic monomers onto irradiated polymer films by 

Reversible Addition Fragmentation Chain‐Transfer Techniques 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Peter Holmlund and Carl‐Eric Wilén  

The  irradiation  modification  processing  of  thin  polymer  films  has  been  extensively  used  at  our laboratory  thanks  to  the  availability  of  an  Electron  beam  apparatus.  The modification  processes  are uncontrolled when using normal radical polymerization techniques.   Uncontrolled  graft‐co‐polymerization  of  ionomeric  chains  causes  poor  quality  of  the  produced  films when  the graft co‐polymers have a high degree of branching and high polymerdispersity. A proposed solution  to  this  is  the  different  controlled  polymerization  techniques:  Atom  Transfer  Radical Polymerization  (ATRP), Nitroxi Mediated Polymerisation (NMP) and Reversible Addition Fragmentation Chain‐Transfer (RAFT).  The ATRP and NMP techniques have been investigated and published earlier by our laboratory1,2, while RAFT technique is expected to bring added value to the controlled graft‐polymerization due to its simple application and robust character.  Reversible  Addition  Fragmentation  Chain‐Transfer  polymerisation  is  a  degenerative  chain  transfer process and is free radical in nature. it was first reported in 1996 by  Rizzardo's group in Australia3. Most RAFT agents contain thiocarbonyl‐thio groups, and it is the reaction of polymeric and other radicals with the C=S that leads to the formation of stabilized radical intermediates.   In  an  ideal  system,  these  stabilised  radical  intermediates  do  not  undergo  termination  reactions,  but instead  reintroduce  a  radical  capable  of  reinitiation  or  propagation  with  monomer,  while  they themselves reform their C=S bond. The cycle of addition to the C=S bond, followed by fragmentation of a radical, continues until all monomer is consumed.  Our aim is to produce good quality ion exchange polymer films combining mechanical strength with high ion conductivities for a multitude of applications such as electrolytes for Polymer Electrolyte Membrane Fuel  Cells  and  Direct Methanol  Fuel  Cells. Other  possible  applications  include  semiconductor  use  in transistors.   

Developing Advanced Biodegradable Lactic Acid‐Based Polymers by Step‐Growth 

Polymerisation 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Saara Inkinen and Anders Södergård 

 

Page 31: 3. Research 3.1 Theses

39  

The aim of the project is to develop novel lactic acid based polymers using step‐growth polymerization (polycondensation)  as  the  polymerization  method.  The  first  aim  of  the  project  is  to  improve  the properties  of  poly(lactic  acid)  (PLA)  for  different  applications  by  the  incorporation  of  different, preferably biobased, comonomers into the polymer backbone. The second aim of the work is to develop the polycondensation process itself, as well as the characterization methods of these polymers, in order to increase the range of products polycondensation is suitable for. 

Poly(lactic  acid)  can  be  prepared  by  direct  polycondensation  of  lactic  acid  or  by  ring‐opening polymerization (ROP) of lactide. The industrial production of high molar mass PLA is currently based on ROP, even though high molar mass PLA can also be obtained by for example chain extension of LA‐based oligomers,  step‐growth polymerization  in a  solvent or by azeotropic distillation  techniques. However, also  the ROP route  involves a polycondensation step, and developing  the polycondensation process  is therefore also significant for the production of high molar mass PLA.  

The primary polymerization method used  in  this project  is polycondensation,  since  it  is  a  cheap  and simple method. The  typical disadvantages of  the polycondensation process  involve  the  limited molar masses  that can be obtained as well as different side  reactions  involving  for example  racemisation or intramolecular  transesterification  reactions  leading  to  the  formation  of  ring‐formed  oligomers  and lactide. However, optimising the polycondensation process parameters and conditions can be utilised to avoid the problems typically associated with the method and significantly improve the properties of the polymer, as shown by our group. Poly(lactic acid) produced by polycondensation has several potential end‐uses as hot melt adhesives, PLA stereocomplexes, precursors  for  linking, or  low‐molecular weight additives for biopolymers, just to name a few.  

Collaboration: The work was commenced by Saara Inkinen at Tate & Lyle Finland in 2006. The project is currently continued in collaboration with Associate Professor Anders Södergård (Laboratory of Polymer Technology, Åbo Akademi) and The Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden. 

Publications:  Saara  Inkinen, Mikael Stolt, Anders Södergård, Effect of Blending Ratio and Oligomer Structure on  the Thermal  Transitions  of  Stereocomplexes  Consisting  of  a  D‐Lactic  Acid  Oligomer  and  Poly(L‐Lactide), Polymers for Advanced Technologies, in press (2010).  Regnell  Andersson,  Sofia;  Hakkarainen,  Minna;  Inkinen,  Saara;  Södergård,  Anders;  Albertsson,  Ann‐Christine,  Polylactide  stereocomplexation  leads  to  formation  of  more  acidic  hydrolysis  products, Biomacromolecules, in press (2010).  Saara Inkinen, Mikael Stolt, Anders Södergård, Readily Controllable Step‐Growth Polymerization Method for  Poly(Lactic Acid)  Copolymers Having  a High Glass  Transition  Temperature,  Biomacromolecules,  in press (2010).  

Development of Biodegradable Hot Melt Adhesives  

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPT Saara Inkinen, Mia Borg and Carl‐Eric Wilén  

Page 32: 3. Research 3.1 Theses

40  

The  laboratory of Polymer Technology  is collaborating with Kiilto Oy (Tampere)  in the development of biodegradable lactic acid‐based hot melt adhesives. The aim of the project is to develop a biodegradable and bio‐based hot melt  formulation  that  could  replace  its oil‐based, non‐renewable alternatives. The traditional hot melt adhesives are typically based on fossil fuel‐based, non‐renewable polymers such as for  example  ethyl  vinyl  acetate  (EVA).  Especially  in  the  packaging  field,  there  is  a  continuous  strive towards  replacing  non‐degradable materials with  biodegradable  ones  and  new materials  are  coming into  the market  at  an  increasing  speed. However,  no  hot melt  adhesive  formulations  that  are  both biodegradable  and bio‐based  are  available  at  an  industrial  scale  at  the moment.  The purpose of  the project  is  thus  to  develop  a  commercially  viable  adhesive  formulation  for  the  use  of  the  packaging industry. Biodegradable hot melt adhesives are potentially suitable  for applications  like sealing, single use packaging, paper and paperboard products, just to name a few. 

Collaboration: Kiilto Oy, Tampere. 

 

Modification of Polymeric Films – Ion‐ and Electron Conducting Materials (Part of Flex‐sense project) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat unit: LPT, DPh Carl‐Johan Wikman, Xe Xuehan and Carl‐Eric Wilén  

The  central  themes  during  the  year  2008  have  been  electron  beam  irradiated  polymeric  films  as substrates for grafting, electrochromic polymeric materials and electron conducting and semiconducting polymeric materials.  

One main  objective  of  studies  in  2008  has  been  to  gain  a  better  understanding  of  the  parameters governing the fabrication of  ion‐conducting membranes by electron‐beam (EB) pre‐irradiation  induced grafting.  The  prepared  membranes  have  been  utilized  in  the  production  of  novel  ion‐modulated membrane  transistors  (MEMFET;  Finnish  patent  application  20070063)  that  allow  the  integration  of various devices on the same substrate in an unprecedented way.  Since, limiting the ion conductivity in a membrane  to  locally  conducting  regions  may  be  necessary  in  order  to  minimize  cross‐talk  and interference with  the  surrounding  atmosphere  also methods  to  prepare  patterned membranes  have been included in this study.  

More specifically, the aims have been: 

1. To  investigate  various  process  parameters  such  as  radiation  dose,  masking,  sulfonation conditions, membrane thickness, temperature, concentration of monomers and solvents effect on the structure and properties of the produced ion‐conducting membranes. 

2. To  design  and  prepare  suitable  ion‐conducting  membranes  for  fabrication  of  MEMFETs  of different configurations.  

 

The  year 2009 brought new  views and  ideas, and new aspects on  their usability within  FunMat. The work is continuing with new grafting methods and other possible routes to ion‐conducting membranes. 

 

Page 33: 3. Research 3.1 Theses

41  

Publications:  Kaihovirta,  N.,  Wikman,  C‐J.  Mäkelä  T,  Wilén,  C‐E.  R.  Österbacka,  “Self‐supported  ion  conductive membrane based transistors“, Advanced Materials, 21(24), 2520-2523 (2009)  Österbacka,  Ronald,  Wilen,  Carl‐Eric,  Kaihovirta,  Nikolai,  Wikman,  Carl‐Johan,  Mäkelä,  Tapio, "Components and circuit arrangements  including at  least one organic  field‐effect  transistor"  , Paptent application WO2010010233   Österbacka,  Ronald,  Wilen,  Carl‐Eric  ,Backlund  Tomas,    Kaihovirta,  Nikolai,  "  Organic  field‐effect transistor" US2010032661   Nikolai  Kaihovirta,  Harri  Aarnio,  Carl‐Johan Wikman,  Carl‐Eric Wilen,  Ronald  Österbacka,  "Improved device  stability  by  adding  sterically  hindered  phenol  in  low‐voltage  OFETs"  submitted  to  Advanced Materials  Nikolai Kaihovirta, Tapio Mäkelä, Xuehan He, Carl‐Johan Wikman, Carl‐Eric Wilen, Ronald Österbacka “Printed all‐polymer electrochemical transistor on patterned  ion conducting membrane", submitted  to Organic Electronics  Nikolai Kaihovirta, Harri Aarnio, Carl‐Johan Wikman, Carl‐Eric Wilen, Ronald Österbacka, "The effects of mositure  in  low‐voltage  ion  conductive membrane based organic  transistors"  submitted  to Advanced Functional Materials  

Optimal binder usage in coated paper (OPTIBIND) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat unit: LPT, LPCC Robert Nilsson, Mahdi Pahlevan and Carl‐Eric Wilén 

Today,  the most commonly used pigment dispersants are based on polyacrylate  salts  that have been prepared  by  classical  free  radical  polymerization.  Although  the  classical  free  radical  polymerization technique is characterized by many attractive features it also has some severe limitations, inherent to its mechanism. Especially, it is difficult to control molar masses and polydispersities as well as to introduce defined  end‐groups,  or  to  prepare  special  architectures  such  as  block  copolymers,  star  or  comb‐like structures by classical free radical polymerization techniques.  In recent years, it has been showed that these limitations can successfully be circumvented by using living (or controlled) free radical techniques such as NMRP (nitroxide‐mediated radical polymerization), ATRP (atom transfer radical polymerization) or RAFT (reversible addition‐fragmentation chain transfer polymerization). As a consequence of this and to be able  to precisely control molecular weight and polydispersities as well as  to have  the option  to prepare complex architectures we decided to prepare Na‐polyacrylate‐based dispersants by using RAFT process instead of utilizing classical free radical polymerization techniques.   

Our future plan has been to conduct a series of polymerizations of AA by using the RAFT technique  in order  to  obtain  monodisperse  polyacrylate  salts  with  a  range  of  molecular  weights.  The  range  of molecular  weights  was  selected  on  the  basis  of  the  modeling  results  by  University  of  Jyväskylä, Laboratory of Applied Chemistry. The polymerization products were then analyzed by using GPC, NMR, 

Page 34: 3. Research 3.1 Theses

42  

HPLC  and  by  rheological measurements.  After  this,  the  dispersants was  delivered  to  Åbo  Akademi, Laboratory of Paper Coating and Converting  for  further  testing. After  the  role of molecular weight of polyacrylate  salts  had  been  established  the  polymerization  was  expanded  by  introducing  various functional monomers (e.g. in order to prepare block copolymers, branched polymers, etc.) that further altered  the  interaction between pigment‐dispersing agent‐ binder. The  functional groups and polymer structures was prepared based on suggestions from steering group members, molecular modeling and literature.   

Collaboration: industry  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 35: 3. Research 3.1 Theses

43  

3.2.3 Syntheses and properties of functional polymeric materials Laboratory of Polymer Chemistry, University of Helsinki  

During the reporting period January 2009 – April 2010, the main research topics related to FunMat have been hybrid nanocomposite materials, new self‐assembling polymers based on various calixarenes and polymerizable  ionic  liquids,  thermoresponsive  and  thermoassociating  polymers,  as  well  as fluoropolymers.  Wood  chemistry  is  increasing.  Funding  from  the  Academy  of  Finland  to  a  project concerned with molecular modeling on polyelectrolyte dendrimers ended in the end of 2009. However, the researcher involved in this project is finalizing his PhD at present.  

 

Hybrid nanocomposite materials 1: metal nanoparticles stabilized with polymers     Main funding: FunMat and LPC  Participating FunMat unit: LPC Petri Pulkkinen, Jun Shan, Jukka Niskanen  Gold,  silver,  and  copper  nanoparticles  have  been  prepared which  have  been  grafted/stabilized with polymers or low molar mass substances. Gold has been grafted mainly by a thermoresponsive polymer poly(N‐isopropylacylamide),  PNIPAM  or  NIPAM  oligomers.  The  main  interest  has  been  on  the environmental effects on  the optical properties of  the particles, but also on  the  thermal behaviour of surface‐grafted polymer chains.  

During the reporting period, a study on well‐fractionated NIPAM oligomers as free chains  in water and as  brushes  grafted  on  gold  nanoparticle  surfaces was  published which  shows  the  striking  difference between the thermal beahavior of the free and bound oligomers. Monolayers of Au‐PNIPAM particles on water  surface were  characterized using neutron  reflectometry, and a detailed  thermal analysis of PNIPAM grafts was conducted. 

Polymer‐grafted  silver  nanoparticles  have  been  prepared  to  be  used  in  antibacterial  coatings.    Soft, sticky  coatings  were  prepared  which  have  been  shown  to  release  only  silver  ions.  The  research continues in collaborating laboratories (Helsinki, Madrid).  

The preparation of copper particles is challenging: the particles need to be effectively protected against oxidation.  Nanoscaled  copper  particles  have  sintering  temperatures  low  enough  to  be  sintered  on paper. Sintering tests have been initiated in collaboration with other project groups. The first successful particles were prepared  in water using  low molar mass and polymeric  imines as stabilizing agents. At present, the effect of various polymers on particle properties  is  investigated. We compare commercial branched poly(ethyleneimine), PEI, with a linear PEI and with a block copolymer PEI‐PEO.  

Recently, syntheses of metal nanoparticles where calixarenes are covalently bound to the surfaces have been initiated. Because of the well‐known host‐guest properties of calixarenes, these may turn out to be interesting building blocks for novel supramolecular structures. 

Collaboration: Åbo Akademi, Laboratoire Leon Brillouin, Saclay, Vrije Universiteit Brussel,  University of 

Montreal, KCL/VTT, TKK 

Page 36: 3. Research 3.1 Theses

44  

Publications: Maijala, Juha; Merta, Juha; Shan, Jun; Tenhu, Heikki, Novel particles and method of producing the same, PCT Int. Appl. (2009), WO 2009040479 A1 20090402.  Shan,  Jun;  Zhao,  Yiming;  Granqvist,  Niko;  Tenhu,  Heikki,  Thermoresponsive  Properties  of  N‐Isopropylacrylamide Oligomer Brushes Grafted  to Gold Nanoparticles: Effects of Molar Mass and Gold Core Size, Macromolecules (2009), 42(7), 2696‐2701.   Pulkkinen,  Petri;  Shan,  Jun;  Leppänen,  Kirsi;  Kansakoski,  Ari;  Laiho,  Ari;  Järn, Mikael;  Tenhu,  Heikki, Poly(ethylene  imine)  and  Tetraethylenepentamine  as  Protecting  Agents  for  Metallic  Copper Nanoparticles, ACS Applied Materials & Interfaces (2009), 1(2), 519‐525.    Lay‐Theng  Lee, Heikki  Tenhu  et al.,  Tuning  the  structure of  thermosensitive  gold nanoparticle mono‐layers, The Journal of Physical Chemistry B, (2009), 113(29), 9786‐9794.  Bruno Van Mele, Heikki Tenhu et al., Demixing and Remixing Kinetics in Aqueous Dispersions of Poly(N‐isopropylacrylamide)  (PNIPAM) Brushes Bound  to Gold Nanoparticles Studied by Means of Modulated Temperature Differential Scanning Calorimetry,  Macromolecules, (2009), 42(14), 5317‐5327.  Niskanen,  Jukka;  Shan,  Jun;  Tenhu,  Heikki;  Jiang,  Hua;  Kauppinen,  Esko;  Barranco,  Violeta;  Pico, Fernando;  Yliniemi,  Kirsi;  Kontturi,  Kyoesti  ,  Synthesis of  copolymer‐stabilized  silver nanoparticles  for coating materials, Colloid and Polymer Science (2010), 288(5), 543‐553.  

Hybrid nanocomposite materials 2: Grafting of nanoclays  

Main funding: FunMat and EU project MUST  Participating FunMat unit: LPC Mikko Karesoja, Jukka Niskanen 

Nanosized montmorillonite has been grafted with an amorphous polymer by ATRP reactions in order to 

prepare MMT containing composites with good  film  forming properties. Also other clays, as halloysite 

and sepiolite have been tested. At present, clays are also grafted with both water‐ and organosoluble 

polymers  to  be  used  as  carriers  in  anticorrosive  coatings  (EU  FP7  project).  Surface  derivatized 

mesoporous  particles  obtained  from  other  project  groups  have  been  prepared  (manuscript  under 

preparation).  

Page 37: 3. Research 3.1 Theses

45  

 

Figure above presents mesoporous silica nanoparticles (obtained from Åbo Akademi) which have been 

grafted  with  poly(vinylcaprolactam‐b‐ethyleneoxide).  PVCL  is  a  thermoresponsive  polymer  which 

collapses upon  increasing temperature. PEO prevents the precipitation of the particles. Particles might 

find use as intelligent carriers in FunMat. 

Collaboration: ÅA, 20 industrial and academic partners in the EU project. 

Publication: Karesoja,  Mikko;  Jokinen,  Harri;  Karjalainen,  Erno;  Pulkkinen,  Petri;  Torkkeli,  Mika;  Soininen,  Antti; Ruokolainen, Janne; Tenhu, Heikki, Grafting of montmorillonite nano‐clay with butyl acrylate and methyl methacrylate  by  atom  transfer  radical  polymerization:  Blends  with  poly(BuA‐co‐MMA),  Journal  of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry (2009), 47(12),  3086‐3097.   

 

Amphiphilic star polymers 

Main funding: FunMatAcademy of Finland, ESPOM, DAAD  Participating FunMat unit: LPC Anu Koponen, Katriina Kalliomäki, Felix Plamper, Mikko Mänttäri, Sami Hietala, Szymon Wiktorowics 

Star polymers are synthesized based on [4], [6], and [8] calixarenes. In the two latter cases, amphiphiles are  synthesized  with  ATRP  reactions  growing  amphiphilic  polymers  from  calixarene  units.  The amphiphiles are diblock  copolymers consisting of a hydrophobic  (either glassy or  soft) block and of a hydrophilic  thermoresponsive block  (either  PNIPAM or  PDMAEMA).  These polymers  form micelles  in water and  their use as carriers  for  low molar mass substances are studied. The added substances are either wood preservatives or molecules/ ions applicable in non‐linear optics. Calix[4]arene is derivatized by  first  locking  its  cone conformation with adequate  substitution. Next, polymers are grown of  these entities by first nitrating the macrocycles and then by reductive coupling. 

Page 38: 3. Research 3.1 Theses

46  

Miktoarm  stars  and  pear‐necklace  polymers  have  been  synthesized  based  on dimethylaminoethylmethacrylate and PEO. The polymers  form micelles/vesicles  in water either under uv‐irradiation (irreversible process) or in electric field (a reversible process). 

Rheological properties of aqueous star polymers have been studied. Dr Felix Plamper finished his post doctoral period in Helsinki in 2009 and Mikko Mänttäri has since that been involved in another project. 

Collaboration: VTT, Institute of Macromolecular Compounds, RAS, Petersburg, Universität Bayreuth 

Publications:  Plamper, Felix A.; McKee,  Jason R.;  Laukkanen, Antti; Nykänen, Antti; Walther, Andreas; Ruokolainen, Janne;  Aseyev,  Vladimir;  Tenhu,  Heikki,  Miktoarm  stars  of  poly(ethylene  oxide)  and poly(dimethylaminoethyl methacrylate): manipulation  of micellization  by  temperature  and  light,  Soft Matter (2009), 5(9), 1812‐1821.  

Plamper,  Felix  A.;  Reinicke,  Stefan;  Elomaa,  Matti;  Schmalz,  Holger;  Tenhu,  Heikki,  Pearl  Necklace Architecture: New Threaded Star‐Shaped Copolymers, Macromolecules (2010), 43(5), 2190‐2203.  Plamper, Felix A.; Murtomaki, Lasse; Walther, Andreas; Kontturi, Kyosti; Tenhu, Heikki  ,e‐Micellization: Electrochemical,  Reversible  Switching  of  Polymer  Aggregation  Macromolecules  (2009), 42(19), 7254‐7257.  Hietala,  Sami;  Strandman,  Satu;  Järvi,  Paula;  Torkkeli, Mika;  Jankova,  Katja;  Hvilsted,  Soren;  Tenhu, Heikki,  Rheological Properties of Associative Star Polymers in Aqueous Solutions: Effect of Hydrophobe Length and Polymer Topology, Macromolecules (2009), 42(5), 1726‐1732.  A.V. Tenkovtsev, M.M. Dudkina,   L.I. Scherbinskaya, V. Aseyev, H. Tenhu, Star‐Shaped Macromolecules with  Calixarene  Core  and Neutral  Amphiphilic  Block  Copolymer  Arms: New  Hosts  for  Ions,  Polymer, accepted.  

Coarse grained modeling of stars and their complexes  

Main funding: Academy of Finland, RAS  Participating FunMat unit: LPC Anna Zarembo, Sergey Larin 

Coarse  grained  methods  have  been  used  to  study  the  associating  properties  of  amphiphilic  star polymers  in water,  as well  as  interactions of  charged dendrimers with  linear polyelectrolytes. A PhD thesis on this topic  is expected to be finalized  in 2010. The  laboratory  joined a COST action where the use  of  charged  dendrimers  in  the  prevention/healing  of  degenerative  diseases  (as  Alzheimer)  are studied both experimentally and theoretically. To boost this project we are actively looking for Finnish or European funding to employ Dr. Igor Neelov (RAS, Petersburg) in Helsinki.  

 

 

Page 39: 3. Research 3.1 Theses

47  

 

 

 

 

 

 

An anionic dendrimer is complexed with a linear 

polycation 

             

Collaboration:  Institute  of  Macromolecular  Compounds,  RAS,  Petersburg,  12  partners  in  the  COST 

project. 

Publications: Larin,  Sergey;  Lyulin,  Sergey;  Lyulin,  Alexey;  Darinskii,  Anatoly,  Computer  simulations  of  inter‐polyelectrolyte  complexes  formed  by  star‐like  polymers  and  linear  polyelectrolytes, Macromolecular Symposia (2009), 278(Molecular Order and Mobility in Polymer Systems), 40‐47.    Larin,  Sergey  V.;  Darinskii,  Anatolii  A.;  Lyulin,  Alexey  V.;  Lyulin,  Sergey  V,  Linker  Formation  in  an Overcharged  Complex  of  Two  Dendrimers  and  Linear  Polyelectrolyte,  Journal  of  Physical  Chemistry B (2010), 114(8), 2910‐2919.  Larin, Sergey V.; Pergushov, Dmitry V.; Xu, Youyong; Darinskii, Anatoly A.; Zezin, Alexander B.; Mueller, Axel H. E.; Borisov, Oleg V, Nano‐patterned structures  in cylindrical polyelectrolyte brushes assembled with oppositely charged polyions , Soft Matter (2009), 5(24), 4938‐4943.  Larin, S. V.; Lyulin, S. V.; Lyulin, A. V.; Darinskii, A. A., Inversion of dendrimers charge in complexes with linear  polyelectrolytes  in  low  pH  solutions,  Vysokomolekulyarnye  Soedineniya,  Seriya  A  i  Seriya B (2009), 51(4), 666‐676. 

 

Thermoresponsive polymers  

Main funding: Tekes, Academy of Finland, FunMat, LPC  Participating FunMat unit: LPC Several of the above mentioned researchers, and Erno Karjalainen  

This topic partially overlaps with the previous ones because we have used thermoresponsive PNIPAM in several applications. However, several other polymers based on PNIPAM or polyvinylcaprolactam have been prepared as well. The focus has been on one hand on the self‐assembling properties of aqueous 

Page 40: 3. Research 3.1 Theses

48  

polymers, and on the other, on ATRP and RAFT polymerization reactions. One of the important findings to  be  mentioned  here  is  that  it  has  been  possible  to  control  not  only  molar  mass  but  also stereoregularity of PNIPAM.  This  is  interesting, because  isotactic PNIPAM  is not water  soluble. Block tripolymers  combining  atactic  and  isotactic  blocks  are  amphiphilic  and  strongly  associating;  under certain conditions they form gels. Block polymers have also been studied to control the crystallization of certain drugs. 

A new topic concerns the polymerization of (meth)acrylic derivatives on some  imidazolium based  ionic liquids. Block  copolymers have been prepared where  the other block  consists of  the polymeric  ionic liquid (PIL) and the other is PNIPAM. The counterion in the PIL has been chosen so that the block is not water  soluble.  Thus, micelles  can  be  formed with  a  PIL  core.  These may  be  expected  to  be  used  as carriers  of  various  substances  of  low  solubility,  or  even  as  nanoreactors  in water.  In  future,  by  ion exchange we plan to render the PIL blocks water‐soluble. Funding for this project (Tekes) finally started in the beginning of 2010. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Collaboration:  Helsinki  University  of  Technology  (Aalto  University),  Åbo  Akademi,  Copenhagen University, several Finnish companies  Publication:  Aseyev V., Tenhu H., Winnik Francoise M., Non‐ionic  thermoresponsive polymers  in water  (a  review), Adv. Polym. Sci. (2010), DOI:10.1007/12_2010_57  

Cl

O+ Br

OH O

O

Br

N NO

ON N

+

Br-

O

ON N

+

BF4-

RT, CH2Cl2,

Et3N

NaBF4(aq)

40 °C

S

S

O

N

N

O

N

O

OH

+

ACPA,CPA

MeCN, 75 °C

NHOO

N

N

O

S

N

O

OH

S

+

BF4-

ACPA,NIPA

MeCN,Dioxane, 60 °C

n

n m

Page 41: 3. Research 3.1 Theses

49  

Fluoropolymers 

Main funding: Industry, a private foundation  Participating FunMat unit: LPC Lauri Valtola, Sami Hietala 

Several of  low molar mass fluorinated surfactants used  in chemical  industries are toxic, and especially from the REACH view point, their replacement with polymeric ones is beneficial. Using ATRP technique, several  new  fluorinated  and  semifluorinated  polymers  have  been  synthesized.  Recently, superhydrophobic  surfaces have been prepared by e‐spinning  the  fluoropolymers.  Importantly,  it has been  observed  that  even  a  small  amount  of  fluoropolymer  may  turn  even  polystyrene  surface superhydrophobic. At present, the use of the polymers as emulsifiers in supercritical CO2 is studied. 

 

   Water droplet on an electrospun surface 

Collaboration:  Borealis  Polymers  (finished  during  the  period),  other  laboratories  in  the  Chemistry Department in Helsinki  Publication: Valtola,  Lauri; Hietala,  Sami;  Tenhu, Heikki; Denifl,  Peter; Wilen,  Carl‐Eric,   Association  behavior  and properties of copolymers of perfluorooctyl ethyl methacrylate and eicosanyl methacrylate,Polymers for Advanced Technologies (2009), 20(3), 225‐234.    Valtola,  Lauri; Koponen, Anu; Karesoja, Mikko; Hietala,  Sami;  Laukkanen, Antti; Tenhu, Heikki; Denifl, Peter,  Tailored  surface  properties  of  semi‐fluorinated  block  copolymers  by  electrospinning Polymer (2009), 50(14), 3103‐3110.   

Water dispersible conducting polymers  

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat unit: LPC Sami‐Pekka Hirvonen 

This  project  started  as  a  part  of  a  larger  one,  “Organic  solar  cell”  coordinated  by  Professor  Helge Lemmetyinen  (Tampere University  of  Technology).  The  aim was  to  prepare  environmentally  friendly 

Page 42: 3. Research 3.1 Theses

50  

aqueous dispersions of conducting polymers to be used as conducting  layers  in photovoltaic cells. The work started by the preparation of water‐dispersible polyaniline derivatives, for which an  international patent was  filed  together with Finnish company Panipol  in 2008. The polymers being prepared at  the moment are derivatives of poly(benzimidazol‐benzofenantroline), BBL. Water dispersibility in both cases is obtained by binding short polyethyleneoxide chains to the rigid polymers. The electric properties of the polymers are studied together with Åbo Akademi and the University of Turku (UTU). 

Collaboration: ÅA, UTU, Tampere University of Technology, Panipol 

Publication:  Two  manuscripts  under  preparation,  on  the  synthesis  and  electric  properties  of  BBL 

derivatives 

 

Natural Polymers ‐ Polymer Tailoring from Renewable Sources 

Main  funding:  Academy  of  Finland,  Finnish  Funding  Agency  for  Technology  and  Innovation  (Tekes), Industry and the Forest Cluster 

 Participating FunMat unit: LPC Miia Hiltunen, Sirkka Liisa Maunu, Mikko Mänttäri, Helena Parviainen, Pirita Uschanov, Tommi Virtanen 

Main  themes  in  this  research  have  been  the  ultrastructure  of  cellulose  fibers  obtained  from  various resources. The effects of modification procedures  for cellulose  fibre materials are  studied  in order  to make  them  accessible  to  chemical  reactions  for  various  products.  Cellulose  has  been  grafted  with synthetic water soluble polymers using RAFT and ATRP reactions, and properties of the products have been  studied.  The  water  soluble  graft  copolymers  based  on  cellulose  have  a  great  potential  for applications  in  biomedicine  and  biotechnology  and  as  new  cellulose  based  chemicals  for  paper chemistry. Cellulose  is derivatised not only on a molecular  level but also nanofibers and  regenerated cellulose  are modified  e.g. with  long  chain  fatty  acids. Water‐borne  binders  for wood  coatings  are developed using alkyd‐acrylate hybrids based on tall oil.  

Collaboration:  KCL,  VTT,  Partners  in  FuBio  (Forest  Cluster‐SHOK)  and  Partners  in  WW‐Net  project 

‘ReCell’ from Sweden and Germany. 

Publications: Hiltunen, Miia; Riihelä,  Simon; Maunu,  Sirkka  Liisa, New Associative  EHEC‐g‐PAam Copolymers:  Their Syntheses, Characterization  and Rheological Behaviour,  J.  Polym.  Sci.  Part B:  Polym.  Phys.,  47  (2009) 1869‐1879.  Matilainen,  Laura; Maunu,  Sirkka  Liisa;  Pajander,  Jari; Auriola,  Seppo;  Jääskeläinen,  Ilpo;  Lambertsen Larsen, Kim; Järvinen, Tomi; Jarho, Pekka, The Stability and Dissolution Properties of Solid Glucagon/�‐cyclodextrin powder, Eur. J. Pharm. Sci., 36 (2009) 412‐420.  Kuutti,  Lauri;  Putkisto,  Kaisa;  Hyvärinen,  Sari;  Peltonen,  Soili;  Koivunen,  Kimmo;  Paulapuro,  Hannu; Tupala,  Jere;  Leskelä, Markku;  Virtanen,  Tommi; Maunu,  Sirkka  Liisa,  Starch‐Hybrid  Fillers  for  Paper, Nordic Pulp and Paper Research Journal, (2010), submitted  

Page 43: 3. Research 3.1 Theses

51  

Virtanen,  Tommi; Maunu,  Sirkka  Liisa, Quantitation  of  a  Polymorphic Mixture  of  an  Active  Pharma‐ceutical Ingredient with Solid State 13C CPMAS NMR Spectroscopy, Int. J. Pharm., (2010), submitted. 

                                    

Page 44: 3. Research 3.1 Theses

52  

3.2.4 Substrate activity and compatibility for functional materials Laboratory of Paper Coating and Converting (LPCC) 

The  requirements  that potential  future  smart  and  intelligent paper  applications  set  for natural  fiber‐

based  substrates  are  different  from,  and  often  more  demanding,  when  compared  to  traditional 

publication papers. A successful production of a functional device by e.g. a printing process requires a 

stable  surface  that  is  ultra‐smooth,  has  appropriate  adhesion  properties,  is  chemically  inert,  have 

controlled wettability and barrier properties and acceptable mechanical properties. These requirements 

and their combinations are not inherent properties of paper and cannot be met with currently available 

paper grades. 

The objective of this project  is to understand the requirements and control the compatibility between 

the various materials that when combined result  in new value‐added  functional concepts. Three main 

areas of research are envisioned: (a) modification and control of the properties of natural fiber‐based 

substrates  in order  to make  them  compatible with  the added  functionality  concepts,  (b)  clarification 

and  control  of  the  processability  of  functional  (raw) materials  as  defined  by  the  surface  treatment, 

coating  or  printing  processes  that  are  used  to  assemble  the  novel  functional  surfaces,  sensors  and 

devices, and (c) embedding of new functionality into or onto the substrate. 

An  important  goal  is  to  understand  setting  mechanisms  of  novel  inks  that  are  used  for  printed 

functionality. Understanding of mechanisms and interactions between ink components and solvents and 

print substrates  is needed for successful printability and utilization of fiber‐based products for printed 

functionality. Detailed and versatile characterization of surface chemical and topographical properties of 

the studied surfaces and interfaces is an important part of the research. 

One approach  to  improve substrate compatibility  is  to adapt  techniques already  in use  for  traditional 

surface  treatment,  e.g.,  pigment  coating,  surface  sizing  and  calendering.  In  addition,  nanoparticle‐

stabilized dispersions/emulsions will be utilized as compatibilizers and adhesion promoters of substrate 

coatings. One of  the  specific  goals  is  to understand  the prerequisites  for  incorporating  biofunctional 

coatings and sensor elements to printable electronic devices. 

The  instrumentation has been actively upgraded with new  test printers  (offset, gravure,  flexo,  inkjet) 

and coaters (reverse‐gravure, curtain, spray),  laboratory‐scale calenders,  ink‐surface  interaction testers 

(ISIT), contact angle instrumentation (multidispenser system) and microscopy (multimode AFM). 

A number of publications not listed in Annual Report 2008 are included in the reference list. 

 

 

 

 

Page 45: 3. Research 3.1 Theses

53  

Characterization and Control of Pigment Coating Structures(C‐Coat) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat units: LPCC, DPC Liisa  Sinervo,  Thomas  Byholm, Marie  Käld,  Andreas  Lemström, Niklas Nylund,  Christoffer  Stoor, Otto Järvinen, Jani Kniivilä, Joakim Järnström, Jouko Peltonen, Martti Toivakka  Most  physical  and  functional  properties  pigment  coated  papers  are  controlled  by  the  microscopic 

structure  of  the  coating  layer.  The  objective  of  the  project  is  to  increase  our  understanding  of  the 

interrelations between coating  raw materials,  the microscopic porous structures  resulting  from  these, 

and  the end‐use properties of coated paper. The main areas of  research  include physical and  surface 

chemical characterization of  two and  three dimensional coating  layer structures, optical properties of 

coatings  and  liquid  penetration  in  porous  structures.  The  results  of  the  project  range  from  coating 

surface characterization on different length scales to computer‐based experimentation and prediction of 

optical and liquid absorption properties of coatings. 

Collaboration: Helsinki University/Observatory, University of Jyväskylä/Department of Physics, ABB Oy, 

Ciba Specialty Chemicals Oy, M‐real Oyj,  Metso Paper Oy, Omya Oy, Specialty Minerals Nordic Oy, Stora 

Enso Oyj and UPM‐Kymmene Oyj. 

Publications: Parvez  Alam,  Thomas  Byholm,  Jani  Kniivilä,  Liisa  Sinervo,  and  Martti  Toivakka,”Calculating  the 

permeability  of model  paper  coating  structures  comprising  incongruent  particle  shapes  and  sizes”, 

Microporous and Mesoporous Materials, volume 117, number 3, pages 685‐688, (2009). 

T. Byholm, M. Toivakka, and J. Westerholm,” Effective packing of 3‐dimensional voxel‐based arbitrarily 

shaped particles”, Powder Technology, volume 196, pages 139‐146, (2009). 

Joakim  Järnström,  Petri  Ihalainen,  Andreas  Lemström,  Martti  Toivakka,  and  Jouko  Peltonen,”The 

influence of different roughness scales of pigment coated papers on print gloss”, Nordic Pulp and Paper 

Research Journal, volume 24, number 3, pages 327‐334, (2009). 

J. Preston, M. Toivakka, P. Heard, and G. Chinga‐Carrasco,” Coated paper microstructure: Particle shape 

‐ microstructure interrelations”, Proceedings of TAPPI Coating and Graphic Arts Conference, TAPPI Press, 

Atlanta GA, (2009). 

 

Improved Printability through Atmospheric Pressure Plasma Surface Treatment (Plastek) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat unit: LPCC Maiju Pykönen, Martti Toivakka 

Page 46: 3. Research 3.1 Theses

54  

The project evaluates  suitability and  the  (industrial) applications of  the atmospheric pressure plasma 

treatment  for  in‐line roll‐to‐roll processing, and aims at  increasing our understanding of the effects of 

plasma treatment of natural fiber‐based substrates. Of specific interest is the improvement of the offset 

and inkjet printability of uncoated and coated papers and paper boards by atmospheric pressure plasma 

surface treatment. In addition to plasma activation, the possibility to  influence the printability through 

use of plasma deposition that can create atomic monolayer surfaces with desired surface chemical and 

energy properties is explored.  

Collaboration: Tampere University of Technology, VTT, Stora Enso Oyj, UPM‐Kymmene Oyj. Vetaphone, 

Millidyne and Omya Oy 

Publications: Maiju Pykönen, Hanna  Silvaani,  Janet Preston, Pedro  Fardim,  and Martti  Toivakka,”Plasma  activation induced  changes  in  surface  chemistry  of  pigment  coating  components”,  Colloids  and  Surfaces  A: Physicochemical and Engineering Aspects, 352, 103‐112, (2009).  Maiju Pykönen, Kenth  Johansson, Marjorie Dubreuil, Dirk Vangeneugden, Göran Ström, Pedro Fardim, and Martti  Toivakka,  “An  attempt  to  reduce dampening water  absorption using hydrophobic plasma coatings”, TAGA 61st Annual Technical Conference, (2009).  Maiju  Pykönen,  Kenth  Johansson,  Johan  Larsson,  Pedro  Fardim,  and  Martti  Toivakka,  Improved flexography printing of wax‐coated paperboard  through atmospheric pressure plasma  treatment, PTS Coating Symposium, (2009).  Hanna  Silvaani, Plasma activation of pigment  coated papers and  its effect on offset printability, MSc thesis, Åbo Akademi, (2009).  M.  Pykönen,  K.  Johansson,  R.  Bollström,  P.  Fardim,  and M.  Toivakka,  Influence  of  surface  chemical composition  on  UV‐varnish  absorption  into  permeable  pigment‐coated  paper,  Ind.  Eng.  Chem.  Res., 49:2169–2175, (2010).  M.  Pykönen,  K.  Johansson, M.  Dubreuil,  D.  Vangeneugden,  G.  Ström,  P.  Fardim,  and  M.  Toivakka, Evaluation of plasma‐deposited hydrophobic coatings on pigment‐coated paper for reduced dampening water absorption, Journal of Adhesion Science and Technology, 24:511–537, (2010).  

Towards Novel and Cost‐Efficient Coating Binder Systems  ‐ Optimal Binder Usage  in Coated 

Paper (OptiBind) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat units: LPCC, LPT Parvez  Alam,  Farid  Touaiti,  Natalie  Fern,  Mahdi  Pahlevan,  Robert  Nilsson,  Carl‐Eric  Wilén,  Martti Toivakka  The project aims at increasing the understanding of binder functionality in pigment coatings. In order to 

ensure  adequate  surface  strength  of  pigment  coated  paper  for  finishing  and  end‐use  purposes,  a 

Page 47: 3. Research 3.1 Theses

55  

sufficient amount of binder has  to be used. When  reducing binder  levels  in pigment coatings below a 

certain threshold to reduce costs, various problems appear that are related to mechanical failure in the 

coating  layer.  Solutions  to  the  problem  are  searched  through  experiments  that  elucidate,  at  the 

molecular level, the interactions between binders, dispersants and coating pigments, and development 

and  testing  of modified  pigment  or  latex  dispersants/additives  that  improve  the  interfacial  strength 

between coating pigments, binders and fibers. 

Collaboration: University of Jyväskylä, BASF Oy, Dow Suomi Oy, Imerys Minerals Oy, SAPPI Finland 1 Oy, 

Stora Enso Oyj and UPM‐Kymmene Oyj 

Publications: Parvez Alam and Martti Toivakka, ” Computational  techniques  to  relate  the mechanical properties of 

nano‐porous  particle‐polymer  composites  with  their  microstructural  characteristics”,  International 

Conference on Mechanical Engineering (2009).  

Parvez Alam, Martti Toivakka, Roger Carlsson, Pekka Salminen, and Stefan Sandås, “ Balancing between 

fold‐crack resistance and stiffness”,  Journal of Composite Materials, volume 43, number 11, pages 1265‐

1283 (2009).  

M.  Toivakka,  R.  Carlsson,  P. Alam,  S.  Sandås,  P.  Salminen,  and  J. Natalense,  “Modelagem  e  estudos 

experimentais para otimização do balanço entre resistência a falha na dobra e rigidez ao arqueamento 

em papéis revestidos com múltiplas camadas. Parte 1:  Introdução e estudos de modelagem / parte 2: 

Estudos experimentais”, Proceedings of ABTCP‐PI 2009  ‐ 42nd Pulp and Paper  International Congress, 

ABTCP, São Paulo, Brazil, (2009) (in Portuguese). 

 

Optimisation of Blade Geometry for Coating of Fine Paper Using Wear‐Resistant Blades 

Main funding: Industry 

Participating FunMat unit: LPCC Parvez Alam, Christoffer Stoor, Prem Kumar Seelam, Martti Toivakka 

The project aims at understanding  the blade mechanics  in  the blade coating of paper, and proposing 

new, improved blade geometries for coating of board and fine paper. A computer‐based complex inter‐

coupled multi‐physics model was developed to account for backing roll, base paper, pigment filter cake 

and,  if  desired,  polymeric  blade  surface  compression.  Based  on  numerical  simulations  of  pigment 

coating suspensions modelled with one‐phase fluid of non‐Newtonian rheology, a better understanding 

of the blade mechanics have been obtained. 

Collaboration: 

Publication: Parvez Alam and Martti Toivakka,” Deflection and plasticity of soft‐tip beveled blades  in paper coating operations”, Materials and Design, volume 30, pages 871‐877 (2009).  

Page 48: 3. Research 3.1 Theses

56  

Microscopic Modeling of Coating Layer Consolidation 

Main funding: Oy Keskuslaboratorio ‐ Centrallaboratorium Ab, PaPSaT  Participating FunMat unit: LPCC Anders Sand, Martti Toivakka  The project  aims  at  (a)  clarifying what  kind of microscopic  structures exist  in pigment  coating  colors during consolidation, and (b) predicting how the wet state coating structure is reflected in the final dried coating layer structure and related coated paper end‐use properties. The project utilizes numerical tools developed at the laboratory to model concentrated colloidal suspensions and to follow the microscopic motion of  individual particles  in the consolidating coating  layer. The results have clarified relevance of the various theories proposed in literature to control consolidation of pigment coating layers.   Collaboration:  VTT, KCL  Publications: Anders Sand, Martti Toivakka, and Tuomo Hjelt,” Influence of colloidal interactions on pigment coating layer  structure  formation”,  Journal of Colloid and  Interface  Science,  volume 332, pages 394‐401,  Jan, (2009).  Anders Sand, Tuija Nopola, Tuomo Hjelt, and Martti Toivakka,” A particle motion model for the study of consolidation phenomena”, Computers and Chemical Engineering, volume 33, pages 1227‐1239 (2009).  Anders  Sand,  Jani  Kniivilä, Martti  Toivakka,  and  Tuomo  Hjelt,  “Structure  formation  mechanisms  in consolidating pigment  coating  layers  ‐  simulation and  visualization”, Computational Materials  Science (submitted) (2009).  Anders  Sand,  Martti  Toivakka,  and  Tuomo  Hjelt,  “Colloidal  interactions  and  particle  clustering  in consolidating  pigment  coating  layers”,  Proceedings  of  2009  Papermaking  Research  Symposium  (CD), Kuopio, Finland (2009).  Anders  Sand,  Jani  Kniivilä,  Martti  Toivakka,  and  Tuomo  Hjelt,  “Microstructure  development  in consolidating  pigment  coatings  studied  by  numerical  simulation”,  Proceedings  of  European  Coating Symposium 2009, Karlsruhe, Germany, pages 69‐72 (2009).  Anders  Sand,  “Microscopic  simulation  of  pigment  coating  consolidation”,  PhD‐thesis,  Åbo  Akademi (2010). 

  Tailored nanostabilizers for biocomponent interfaces (Taina)  

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat units: LPCC, DPC Helka Juvonen, Manuela Tigerstedt, Jouko Peltonen 

Page 49: 3. Research 3.1 Theses

57  

 

The objective of  the project Taina  (VTT, TKK, ÅAU) has been  to develop  technologies  for modification 

and  assembly  of  biopolymers,  i.e.  proteins  or  selected  carbohydrates  suitable  as  nanostabilizers  of  

sensitive  biocomponents.  Special  emphasis  is  concentrated  on  chemo‐enzymatic  functionalization  of 

biopolymeric building blocks  in order  to create enhanced  self‐assembly,  integrity and performance of 

nanoparticles. These  functional nanoscale particles will be exploited  in  food  systems and  for  tailored 

barrier/sensing systems  in food packages. A wide range of proteins (e.g. β‐lactoglobulin, whey protein, 

casein, coactosin) and peptides have been studied by their coating and film formation properties, and 

the possibility to modify their  functionality by enzymes  (e.g.  laccase, tyrosinase). Besides morphology, 

AFM  and  e.g.  ToF‐SIMS  studies  have  yielded  information  about  the  reaction mechanisms  between 

enzymes and proteins.  

Collaboration: VTT, TKK, YKI (Tukholma), Lumene Group, Billerud, Uniq Bioresearch  

Publication: H.  Juvonen, M. Smolander, H. Boer,  J. Pere,  J. Buchert,  J. Peltonen, “Enzymatically polymerized  casein films for food packaging materials”, submitted. 

 

Good quality for wood and fibre‐based materials ‐ Nano‐mediated mega value for wood and 

fibre based products (NaMeWood) 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes) 

Participating FunMat units: LPCC, DPC Shaoxia Wang, Jouko Peltonen  The properties of wood and laminated wood composite material produced can be modified by different nanostructures,  such  as nanoparticle  additives  and nanocoatings.  The properties  to be  improved  are controlled water vapor permeability and  release of wood based VOCs, moisture  resistance,  resistance against UV  radiation  and weather,  soil  resistance  as well  as mechanical  durability  of wood  surfaces (scratch  resistance  and  surface  hardness).  Nanotechnology  and  nanostructures  enable  adaptable coating  solutions  for  board  and  fine  paper  products;  better  converting  properties  for  board  and repellent,  anti‐fouling  characteristics  for  paper  products  (for  instance wall  papers,  security  papers). Paper printability properties  can  also be modified  by  introducing of nanostructures  to paper  surface compositions.  

The overall objective of the research is to enhance competitiveness of wood, wood composite, pulp and 

paper materials in global markets. 

Collaboration: VTT, Teknos Oy, Millidyne Oy, Koskisen Oy, Stora Enso Oyj, and Stora Enso Laminating Paper Oy     

Page 50: 3. Research 3.1 Theses

58  

Surface proximity assay (Supra II)  

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat units: DPC, LPCC Sari Pihlasalo, Jouko Peltonen  The aim of the research projects has been to construct a homogeneous assay principle on a dyed planar surface  for high‐throughput  β2‐adrenergic  receptor  screening purposes. The methodology  relies on a planar surface containing dye  layers of nanometer  thickness and energy  transfer between  the surface and a soluble molecule  in solution  recognizing a specific compound of  interest. The  interactions have been studied on molecular  level by using probe microscopy techniques with  the goal of distinguishing specific interactions for non‐specific ones. The bioaffinity reaction occurs directly on a lipid layer coated over  the  planar  dye‐surface  within  a  specified  hydrophilic/hydrophobic  area.  Lipid monolayers  and bilayers  (<  6  nm)  have  been  formed  on  the  developed  planar  surface  using  Langmuir  Blodgett  and Schaefer techniques. β2‐adrenergic receptors have been successfully immobilized on the planar surface through  fusion of receptor vesicles or direct coupling during  the  lipid  film  formation. Functional assay has been studied and conducted using energy transfer principle.  Collaboration: University of  Turku, University of Oulu,  KSV  Instruments,  Innotrac Diagnostics,  Perlos, 

Releco‐Coating 

Publications: A.Valanne, J. Suojanen, J. Peltonen, T. Soukka, P. Hänninen and H. Härmä, “Multiple sized Europium(III) chelate‐dyed  polystyrene  particles  as  donors  in  FRET  –  an  application  for  sensitive    protein quantification utilizing competitive adsorption”, Analyst, 5, 980‐986 (2009).  S. Pihlasalo, M. Hara, P. Hänninen, J.P.Slotte, J. Peltonen and H. Härmä,” Liposome based homogeneous luminescence resonance energy transfer”, Analytical Biochemistry, 384, 231‐237 (2009). 

 

Strength, role and removal of nanoparticle‐based nonspecific binding in bioaffinity assay and bioimaging systems using electrostatic transferor (Eltrans)  Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPC Anni Määttänen, Jouko Peltonen  Increasing number of highly  luminescent nanoparticle  labels  in  bioaffinity  assays  and bioimaging has become  problematic  in  respect  to  nonspecific  binding  of  the  labels  coupled with  biomolecules.  The larger  size  of  nanoparticles  and  the  high  number  of  biomolecules  on  the  particulate  labels  and, therefore, increased number of interactions compared to soluble biomolecules are the primary reasons for  higher  nonspecificity.  The  aim  of  the  proposed  project  is  to  study  and  understand  fundamental phenomena  behind  nonspecific  binding  of  nanoparticle  labels  in  bioaffinity  assay  and  bioimaging systems and fabricate an electrostatic transferor to calculate and reduce background signal in biological measurement systems. Atomic force microscopy  is used  independently to calculate binding forces and 

Page 51: 3. Research 3.1 Theses

59  

the  results of  the methods are  cross‐correlated. Polystyrenenanoparticle  labels and quantum dots of different  surface  properties  and  sizes  in  combination with  different  antibodies  on  nanoparticles  and solid‐phases  are  prepared  and  their  effects  on  nonspecific  interactions  are  investigated  in  detail. Antibodies and their recombinant fragments are used to elucidate the origin and role of nonospecificity. Thyroid‐stimulating hormone and prostate‐specific antigen are model analytes in the study.  Collaboration: University of Turku, TKK 

Publications: T.  Näreoja,  A.  Määttänen,  J.  Peltonen,  P.  Hänninen,  H.  Härmä,  “Impact  of  surface  defects  and denaturation of capture surface proteins on nonspecific binding in immunoassays using antibody‐coated polystyrene nanoparticle labels”, Journal of Immunological Methods, 347, 24‐30 (2009). 

  Bioactive paper and fibre products (BioAct)  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat units: LPCC, LPT Piia Gustafsson, Serap Sahin, Pernilla Sund, Carl‐Erik Wilen, Martti Toivakka, Jouko Peltonen  Bioactive features may provide new markets and added value products, for example, to pulp and paper, packaging, diagnostic and construction industry. General objective of this proposed project is to develop basic concepts, materials and mass manufacturing methods for producing bioactive paper or fibre based products on  large areas. Methods  to commercialize potential applications are clarified. Objective  is  to demonstrate bioactive systems, which detect and/or  remove selected molecules  (e.g. allergen,  toxin), and  can  be  manufactured  with  mass  manufacturing  methods  on  large  area.  Potential  applications include e.g. active and  intelligent  food  casing, anticounterfeiting, printable  indicators on magazine or newspaper, construction materials and filters.  The contribution by the Laboratory of Polymer Technology to the BioAct project consists of two parts: a) synthesis of  a macrocycle  library,  and b) development of  a printable monomer mixture,  that  gives  a hydrogel after UV‐initiatied polymerization.  The  macrocycle  library,  which  is  synthesized  on  polystyrene  beads,  is  intended  for  macrocycle‐functionalization of (bio)polymers, to be used primarily for sensors, but also for other applications. The task of the macrocycles is to achieve strong and specific interaction with the analytes.  Although  combinatorial  libraries  have  been  used  extensively  for  drug  discovery,  few  have  been developed for other industrial purposes. For industrial applications, the priority is cheap monomers and synthesis,  and  good  chemical  stability.  Macrocycles  are  preferred  to  open  chains  because  the conformational  preorganisation  in macrocycles  gives  stronger  and  more  specific  association  to  the target. Macrocycles also have the ability to strike a compromise between structural preorganisation and flexibility to achieve optimal binding.  The macrocycle  library  is synthesized using solid‐phase synthesis  (SPS) on polystyrene beads, as a one bead  ‐  one  compound  library  using  the mix‐and‐split method.    The macrocycle  is  attached  to  the polystyrene  bead  using  a  linker, which will  be  cleavable  for  the  library,  but  permanent  for  the  final 

Page 52: 3. Research 3.1 Theses

60  

application. The linker attachment point on the macrocycle ('head monomer') also functions as the site for ring‐closure. The rest of the macrocycle consists of an amide oligomer. The chemistry used for ring‐closure  is 1,3‐dipolar cycloaddition between a propargyl group and an azide group, the  latter attached to the end monomer.  For the  first attempt at making a macrocycle, a phenacyl  linker, and a rather complex head monomer syntheized  in  solution was used. The completed 14 atom macrocycle was cleaved off with hydrazine, chromatographically  purified  and  characterized  by  nuclear  magnetic  resonance  (NMR)  and  mass spectrometry (ESI‐MS).  Because  of  different  shortcomings,  a  new  linker  and  a  smaller  and  more  easily  synthesized  head monomer was also made, and the testing of these is ongoing.  Hydrogels. A printable hydrogel must  remain  liquid  in  the printing process, and  then be cured  into a non‐flowing  hydrogel  afterwards.  To  achieve  this,  UV‐polymerizable  inks  based  on  acrylic  acid monomers have been  tested.  The  swelling of  the  corresponding hydrogel depends on pH,  so  that  in acidic solution, where  the carboxyl groups are un‐ionized,  the swelling  is  low, while  in basic solutions with ionized carboxyl groups, the hydrogel will swell.  The hydrogels were composed of acrylic acid, a crosslinker, a sensitizer, and a solvent. Several solvents were tested for printability and gel properties.  Collaboration: VTT, TKK, University of Lapland, Hansaprint Oy, UPM‐Kymmene Oyj, Tervakoski Oy, Ciba SC Oy, Eagle Filters Oy, Starcke Oy Securities, Oy Medix Biochemica Ab, Orion Diagnostica Oy  Publications: P. Gustafsson,  S. Grönqvist, M.  Smolander, T.  Erho, M. Toivakka, and  J. Peltonen,” Bioactive pigment coatings  comprising  enzymes”,  Proceedings  of  7th  International  Paper  and  Coating  Chemistry Symposium, Hamilton, Canada, 2009.  

Printability on paper and board  Main funding: Industry  Participating FunMat units: DPC, LPCC Petri Ihalainen, Jouko Peltonen  The aim of the project is to carry out versatile surface characterization for paper and board samples. Of special interest have been topographical and thermal properties of polymer films.   Publication: P. Ihalainen, K. Backfolk, P. Sirviö and J. Peltonen, “Topographical, Chemical, Thermal and Electrostatical Characterization of a Latex Film Surface as a Function of Annealing Time”, Colloids and Surfaces A, 354, 320‐330 (2010). 

 

Page 53: 3. Research 3.1 Theses

61  

Paper coatings for printed intelligence  Main funding: Industry  Participating FunMat unit: LPCC Kenneth Nylander, Mikael Ek, Jouko Peltonen  Printed electronics is a rapidly developing area of industry. The objective of the project is to apply nano materials  as  paper  coatings  for  printed  electronic  applications.  Special  emphasis  is  on  the  structure‐performance relationships and thorough characterization of the novel coatings.  Collaboration: Ciba Finland Oy   

Development of paper for inkjet printing  Main funding: Industry  Participating FunMat units: LPCC, DPC Carl‐Mikael Tåg, Jarl B. Rosenholm, Jouko Peltonen  Papers available on the market for high speed inkjet printing can roughly be divided into treated grades and  high  quality  specialty  paper  grades.  The  treated  grades  usually  perform well  in  1‐color  printing, printing of barcodes etc., but not so well  in 4‐color printing. The very expensive high quality specialty papers perform well in 4‐color printing, but not always so well in printing bar codes. Currently the high quality specialty paper grades are mainly produced on small paper machines, due to limited production possibilities.  The aim of the Inkjet paper project  is to develop paper grades which perform well  in high speed  inkjet printing, but with less complex structure and at a lower cost than current specialty inkjet papers. To do this, evaluation of what makes a paper good or bad  for high speed  inkjet printing will be carried out. Additionally  the  aim  is  to  decrease  the  paper waviness which  causes  problems  in  the  post  handling process of the printed product.  

 

Printable array platform for cell studies (PrinCell)  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat unit: LPCC Helka Juvonen, Tapio Mäkelä, Jouko Peltonen  Recent  advances  in materials  science  and printing  technology offer exciting opportunities  to develop completely  new  types  of  functional  surfaces  and  patterned  device  structures.  In  the  field  of biotechnology  and  tissue  engineering,  cell  printing  is  considered  as  a  very  promising  and  potential 

Page 54: 3. Research 3.1 Theses

62  

technique for producing assays and arrays for applications were quick and inexpensive mass production of assays combined with high spatial resolution of deposited active components are needed.  In this project we are combining  the knowledge  from different disciplines to develop  technology base for  printable  advanced  cell  arrays.  The  key  issue  of  the  proposal  is  to  combine  versatile materials research and development with that of advanced printing and coating techniques that enable versatile and  inexpensive printing of various biomaterials  to  complex assays. Essentially, different printing and coating techniques need to be studied because different kinds of materials are  involved  in preparation of a cell array. The printing technology can be combined and applied into the existing array technology to allow the use of current detection systems.  Collaboration:  University  of  Helsinki, Massachusetts  Institute  of  Technology,  UPM‐Kymmene,  Orion 

Pharma, ChipMan 

 

Liquid flame spray nanocoating for flexible roll‐to‐roll web materials (Nanorata)  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat unit: LPCC Milena Stepien, Jarkko J. Saarinen, Martti Toivakka  The project  is a  collaborative effort  to develop a novel nanocoating,  liquid  flame  spray  technique  for flexible  roll‐to‐roll web material  such as paper, paperboard or plastic.  In  this  technique,  the web‐like material rolls moderately fast through the liquid flame spray or an array of flames. Nanoparticles of size 5‐50  nm  generated  in  the  flame  are  deposited  on  the  surface  of  the  web  material  creating  new properties  for  the  surface. Based on  earlier  recent work,  e.g.,  surface  energy, barrier properties  and adhesive  properties  can  be  increased.  Performance  of  coatings  with  coverage  in  the  order  of  one monolayer of nanoparticles is applicable and has been verified. The project consists of a) a 3 year period of more fundamental studies on selecting the best compounds applicable by this technique to improve the material and, b) a 2 year period to up‐scale the process for a wider web using an array of flames to achieve a smooth and even coating.   Collaboration:  Tampere University  of  Technology,  Beneq Oy,  Kemira Oyj,  Stora  Enso Oyj,  and UPM‐Kymmene Oyj   Publications: Milena Stepien,  Jarkko  J. Saarinen, Hannu Teisala, Mikko Tuominen, Mikko Aromaa,  Jurkka Kuusipalo, Jyrki M. Mäkelä,  and Martti  Toivakka,  “Adjustable  wettability  of  paperboard  by  liquid  flame  spray nanoparticle deposition”, submitted to Applied Surface Science (2010). 

 

Thermal Effects and Online Sensing (THEOS)  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  

Page 55: 3. Research 3.1 Theses

63  

Participating FunMat unit: LPCC Hanna Koivula, Martti Toivakka  The  project  investigates  the  influence  of  temperature  distribution  on  ink‐setting  and  printability  in HSWO  printing,  determined  by  experiment, modelling  and  the  (on‐line) measurement  of  ink‐setting behaviour adopting novel optical devices. Furthermore, an objective is to improve the understanding of heat transfer  in pigment coatings  in general. The thermal properties of coatings are relevant  in several paper  manufacturing,  converting  and  printing  processes,  such  as  dry  coating,  calendering  and electrophotography.  Collaboration: Helsinki University of  Technology,  Joensuu University, BASF Oy, Omya Oy, M‐Real Oy, UPM‐Kymmene Oyj, MGM Devices Oy, and Finnish Graphic Industry Research Foundation 

 

Novel technology platform for mass produced inexpensive transistors on flexible substrates enabling sensing applications (Flex‐Sens)  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (Tekes)  Participating FunMat units: LPCC, LPT, DP, DPC Anni Määttänen, Dimitar Valtakari, Simon Hermans, Petri Ihalainen, Carl‐Johan Wikman, Carl‐Eric Wilen, Nikolai Kaihovirta, Ronald Österbacka, Jawad Sarfraz, Mika Linden, Jouko Peltonen  The main  objective  of  the  project  is  to  create  a  universal  technology  platform  for  inexpensive mass produced  ion‐modulated  transistors  which  accelerates  the  development  of  novel  practical  device applications.  Furthermore,  the  novel  MEM‐FET  based  transistor  technology  will  be  utilized  and developed in plastic or fiber based flexible packages, and in technical plastics for switching and sensing purposes.  In  addition,  low‐cost  mass  produced  sensors  are  developed  on  flexible  substrates  for screening  of  volatile  analytes.  All  electronic  detection  will  be  developed  via  the  low‐voltage  ion‐modulated transistors that open up completely new possibilities.  Collaboration: University of Oulu, Tampere university of  technology, University of Turku,  Stora Enso, BASF, Perlos, Panipol, Forest Pilot Center, Labmaster  

 

 

 

 

 

 

 

Page 56: 3. Research 3.1 Theses

64  

3.2.5  To  understand  the  electrical,  optical  and  magnetic  properties  of disordered organic materials  

In order to successfully make “intelligent packages”, there  is a need to print at basically no cost power sources (i.e. batteries or photovoltaic cells), active components such as transistors and memory cells, as well  as  INPUT/OUTPUT  units,  all  operating  at  low‐voltages.  This  requires  a  totally  new  approach  to electronics: simple device design and innovative solutions. Traditional organic electronics usually suffers from  stability  issues  and high drive‐voltages;  especially  for  transistors.  The use of  ions usually offers robust performance at  low  voltages with  less  stringent needs  for encapsulation, opening up a  totally new field in device physics of organic electronics 

In order to fully utilize the possibilities that functional materials provide, we need to clarify the electro‐optical and magnetic properties of the functional materials. This allows us to fully utilize the novelty of the materials  in printed  functionality. We are especially  focusing our attention  towards  the  following tasks: 

– To understand electro‐optical properties such as charge transport and recombination, magnetic and optical properties of disordered organic materials  

–  New experimental and numerical modeling tools 

– to develop novel solution processable electronic devices for printable active electronics devices, sensors and indicators  

 

The effects of metal impurities in an organic semiconductor on field‐effect transistor properties  Main funding: Academy of Finland 

Participating FunMat unit: DPh Niklas Björklund, Jan‐Olof Lill, Ronald Österbacka  

We have used Particle Induced X‐ray Emission (PIXE) analysis and Particle Induced Gamma‐ray Emission (PIGE) analysis to determine the elemental  impurity concentrations  in thienol[2,3‐b]thiophene samples that  have  undergone  different washing  and  extraction  procedures  to  remove  impurities.  Field‐effect transistors  (FETs)  were  fabricated  from  the  materials  and  their  electrical  characteristics  show  no significant differences between the devices made from different material samples. Reducing the metal residue levels below the one measured in the starting material (300 mg/kg Fe, 7 mg/kg Zn, 3000 mg/kg Pd and 12000 mg/kg Sn) does not improve the FET performance. This suggests that it is not necessary to completely remove metal residues in semiconducting polymers used in FETs.  

Page 57: 3. Research 3.1 Theses

65  

1000 100001E-3

0.01

0.1

Mo

bili

ty [

cm2/V

s]

Total impurity concentration [mg/kg]

linear

saturated

13

4

27

56

8

 

Fig.  Typical field effect mobilities for the different materials. The linear mobilities where measured at a constant drain voltage of Vd = ‐5 V and the saturated at Vd = ‐50 V. The error bars show the maximum deviation between the measured mobility values and average mobilities.  

 

Collaboration:  Accelerator  Laboratory,  National  PET  center,  Åbo  Akademi  University,  Laboratory  of Analytical Chemistry, Åbo Akademi University and Merck Specialty Chemicals Ltd, Southampton, United Kingdom  Publication: N. Björklund, J‐O Lill, J. Rajander, R. Österbacka, S. Tierney, M. Heeney, and M. Coelle, ”The effects of metal impurities in an organic semiconductor on field‐effect transistor properties”, Organic Electronics, 10, 215‐221 (2009).  

Simulations of hopping transport in disordered organic materials 

Main funding: Academy of Finland, Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES) and 

Graduate School of Materials Research 

Participating FunMat unit: DPh F. Jansson and R. Österbacka 

 

For hopping transport  in disordered materials, the mobility of charge carriers  is strongly dependent on 

the temperature and the electric field. By numerical simulation we have studied the energy distribution 

and the mobility of charge carriers, as a function of electric field, temperature and carrier concentration. 

We  have  shown  that  both  the  energy  distribution  and  the  mobility  can  be  described  by  a  single 

Page 58: 3. Research 3.1 Theses

66  

parameter, the effective temperature, which  is dependent on the magnitude of the electric field [1,2].  

We  have  also  studied  the  effects  of  strong  electric  fields  on  hopping  conductivity  [3]. Monte  Carlo 

computer simulations show that the analytical theory of Nguyen and Shklovskii , [Solid State Commun. 

38, 99  (1981)] provides an accurate description of hopping  transport  in  the  limit of very high electric 

fields and  low concentrations of charge carriers as compared to the concentration of  localization sites 

and also at the relative concentration of carriers equal to 0.5. At intermediate concentrations of carriers 

between 0.1 and 0.5, computer simulations evidence essential deviations from the results of the existing 

analytical  theories. The  theory of Nguyen and  Shklovskii also predicts a negative differential hopping 

conductivity  at  high  electric  fields.  Our  numerical  calculations  confirm  this  prediction  qualitatively. 

However  the  field  dependence  of  the  drift  velocity  of  charge  carriers  obtained  numerically  differs 

essentially  from the one predicted so  far. Analytical theory  is further developed so that  its agreement 

with numerical results is essentially improved.  

 

 

 

Fig.   Drift velocity as a function of the electric field for different localization lengths. The curves show the theory in the limit of large electric fields. The system size L is 20R. [3] 

 

Collaboration:    Phillips‐University  Marburg,  Germany  and  3Institute  of  Semiconductor  Physics  and Novosibirsk State University, Russia 

    

Page 59: 3. Research 3.1 Theses

67  

Organic Spintronics 

Main funding: Academy of Finland 

Participating FunMat unit: DPh 

S. Majumdar, H.M. Majumdar and  R. Österbacka 

Organic  spintronics  is  a  part  of  the  research  conducted  in  the Department  of  Physics, Åbo Akademi University  in  collaboration  with  the  Magnetism  and  Superconductivity  group  of  Wihuri  Physical Laboratory,  University  of  Turku. We  study  the  basic  spin  physics  of  different  inorganic  and  organic materials  suitable  for  spintronic  applications  and  also  fabricate  spintronic  devices  and  characterize them.  

Research related to organic spintronics in this group is mainly two‐fold. On one hand, organic spin valve devices are fabricated using ferromagnetic (FM) La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) and Co as the spin injecting and detecting  electrodes  and  different  organic  semiconductors  (OS)  as  non magnetic  spacers  and  their properties  thoroughly  characterized.  The  best  spin  valve  device,  so  far,  showed  more  than  80% magnetoresistance  (MR) at 5K and detectable room temperature MR response  in our devices. Studies are underway to improve this signal for potential applications.  

On  the other hand, organic diode devices  are  fabricated  and  their magneto‐transport properties  are studied  for understanding  the basic physics  leading  to  large MR  response of most OS based diodes at room temperature and low magnetic fields (OMAR effect).  

Magnetoelectrical measurements were performed on diodes and bulk heterojunction solar cell blends to  clarify  the  role  of  formation  of  Coulombically  bound  electron‐hole  (e‐h)  pairs  on  the magnetoresistance  (MR)  response  in  organic  thin‐film  devices.  Bulk  heterojunction  solar  cells  are suitable model systems because they effectively quench excitons but the probability of forming e‐h pairs in them can be turned over orders of magnitude by the choice of material and solvent in the blend. We have  systematically  varied  the  e‐h  recombination  coefficients, which  are directly  proportional  to  the probability for the charge carriers to meet  in space, and found that a reduced probability of electrons and holes meeting in space lead to the disappearance of the MR. Our results clearly show that MR is a direct consequence of the e‐h pair formation. 

Page 60: 3. Research 3.1 Theses

68  

 

Fig.  %MR as a function of magnetic field (B) in different devices with varying L ratio in a RRP3HT diode (black), in a RRP3HT:PCBM BHSC  (red) made  from dicholorobenzene and chloroform  (blue), and  in a MDMO‐PPV:PCBM BHSC (green). 

 Collaboration: Wihuri  Physical  Laboratory,  University  of  Turku,Department  of  Chemistry,  University Hasselt, (Prof. vanDerZande), Nanomaterials group at HUT Prof. S. van Dijken.  Publications: S. Majumdar, H.S. Majumdar, H.  Aarnio, D.  Vanderzande,  R.  Laiho,  and  R. Österbacka,  “The  role  of electron‐hole pair formation on organic magnetoresistance”, Physical Review B 79, 201202R (2009).   S. Majumdar,  H. Majumdar,  R.  Laiho,  and  R.  Österbacka,  “Organic  spin  valves:  effect  of magnetic impurities on  the  spin  transport properties of polymer  spacers”, New  Journal  of  Physics, 11,  013022 (2009). (11pp)  S. Majumdar , H. S. Majumdar, H. Aarnio, R. Laiho and R. Österbacka, ”Magnetoresistance Study in Poly (3‐hexyl  thiophene) Based Diodes and Bulk Heterojunction  Solar Cells”, Phys.  Stat.  Solidi  (a),  in press (2009).   S. Majumdar, H. S. Majumdar, D. Tobjörk, and R. Österbacka, “Towards printed magnetic sensors based on organic diodes”, Physica Status Solidi: A (2009)       

Page 61: 3. Research 3.1 Theses

69  

Study  of  Half‐metallic manganite  La0.67Sr0.33MnO3  (LSMO)  thin  films made  by  pulsed  laser 

deposition for spintronic applications. 

Main funding: Academy of Finland 

Participating FunMat unit: DPh 

S. Majumdar and R. Österbacka 

La0.67Sr0.33MnO3  (LSMO),  a well‐known  half‐metallic manganite  has  been  successfully  used  as  a  spin 

injecting electrode in many inorganic/organic spintronic devices. Although the Curie temperature (TC) of 

bulk LSMO  lies well above room temperature, the surface spin polarization start decreasing at a much 

lower temperature due to the presence of a large number of paramagnetic clusters at 300K giving much 

less SP carriers at the LSMO ‐ barrier  interface in spintronic devices. Now, the Double – Exchange (DE) 

mechanism  in manganites, which  controls  the  charge  carrier movement,  is  significantly modified  by 

structural  defects  and  substrate  induced  strains  and  also  on  the  growth mechanisms.  This makes  it 

necessary to grow the LSMO films on different substrates starting from highly lattice mismatched MgO 

(MGO)  (~9%)  to most  closely matched SrTiO3  (STO)  (0.87%) and NdGaO3  (NGO)  (‐0.2%)  to obtain  the 

best  spin  injector  for  our  devices.    In MGO  and  STO  the  strain  is  compressive while  that  in NGO  is 

compressive. So, the growth mechanisms in these three kinds of substrates are very different and thus 

we  studied  the  effect  of  differently  strained  films,  evolution  of  strain  with  film  thickness  and 

modification  of  their  spin  injection  properties.  Also  using  different  pulsed  laser  deposition  (PLD) 

parameters like temperature and laser repetition rate, the growth and oxygen content of the material is 

modified and  from  the  study of  their  surface morphology, atomic  structures, magnetic and  transport 

properties, we optimized the parameters for achieving maximum SP injection at room temperature.  

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

LSMO/MGO LSMO/STO LSMO/NGO

M /

MS

T (K)

 

Fig. Magnetization vs.  temperature plot of  LSMO  films on different  substrates  showing different  spin 

polarization at room temperature. 

Collaboration: Wihuri Physical Laboratory, University of Turku, Finland 

 

Page 62: 3. Research 3.1 Theses

70  

Electrical characterization of organic memories using polarizable nanoparticles 

Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES) and Academy of Finland 

Participating FunMat unit: DPh 

J. K Baral, H. S. Majumdar and R. Österbacka 

 We demonstrate a memory device in which the fullerene‐derivative [6,6]‐phenyl‐C61 butyric acid methyl ester  (PCBM) as well as metallic nanoparticles mixed with  inert polystyrene  (PS) matrix  is sandwiched between two aluminum (Al) electrodes.  Above a threshold voltage of <3V, independent of thickness, a consistent  negative  differential  resistance  (NDR)  is  observed  in  the  devices  of  thickness  range  from 200nm  to  350nm made  from  solutions with  4 wt%  to  10 wt%  of  PCBM  in  PS. We  found  that  the threshold voltage (Vth) for switching from high impedance state to low impedance state, the voltage at maximum current density  (Vmax) and the voltage at minimum current density (Vmin)  in the NDR regime are constant within this thickness range. The current density ratio at Vmax and Vmin is more than or equal to 10,  increasing with  thickness.  Furthermore,  the  current density  is exponentially dependent on  the average hopping distance  longest tunneling jump between two PCBM molecules, suggesting a multiple tunneling mechanism between  individual PCBM molecules. This  is further supported with temperature independent NDR down to 240K. 

 

Fig.    a) Absolute  current density  as  a  function of  voltage  for pure polystyrene  (PS, d  = 200 nm)  and 2‐6 wt% PCBM/PS compositions (d = 250 − 260 nm). (b) Current density as a function of voltage for 10‐40 wt% PCBM/PS compositions (d = 250 nm), showing ohmic behavior. (c) Strength of the electric field in the vicinity of two dielectric spheres  where  an  initially  uniform  electric  field  (E0)  is  applied.  (d)  Combination  of  a  TEM micrograph  and  a schematic illustration showing the polarisation between the PCBM clusters, separated by the PS matrix. All devices were annealed at 120°C. [2] 

Page 63: 3. Research 3.1 Theses

71  

 

Collaboration:   Department  of  Engineering  Physics  and Mathematics,  and  Center  for New Materials, Helsinki University of Technology, FINLAND and VTT Printed Electronics Center, Finland 

 

 

X‐ray photoelectron spectroscopy study on polymer/fullerene nanocomposites  

 Main funding: Academy of Finland 

Participating FunMat unit: DPh 

Daniel Tobjörk, Jayanta Baral, Himadri Majumda and Ronald Österbacka 

We  studied  the  chemical  composition  of  memory  devices  as  a  function  of  depth  by  using  X‐ray 

Photoelectron Spectroscopy (XPS) and sputtering with argon ions. The depth profile in the figure below 

shows  the  slightly  oxidized  aluminum  top  electrode,  the  carbon  rich  active material  consisting  of  a 

mixture of polystyrene (PS) and [6,6]‐phenyl‐C61 butyric acid methyl ester (PCBM), the bottom aluminum 

contact and finally the glass substrate (containing silicon and oxygen). 

 

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sputter time (min)

Ato

mic

con

cent

ratio

n (%

)

Al2p C1s O1s Si2p

 

Fig. The composition of an Al/PS:PCBM/Al memory device  is shown as a function of sputtering time  in this  depth  profile.  The  atomic  concentrations were  determined  from  the  area  of  the  carbon  (C1s), oxygen (O1s), aluminum (Al2p) and silicon (Si2p) peaks  in the XPS spectrum. The broader shape of the bottom electrode was explained by the inhomogeneous sputtering process. 

From the results we could conclude that the thermal evaporation of the aluminum electrodes had not 

led to any observable  inclusion of aluminum (<0,1‐1 at.%.)  into the active material  layer. Furthermore, 

Page 64: 3. Research 3.1 Theses

72  

the observation of alumina on the bottom contact gave some clues to the understanding of the device 

operation principle. We also  compared  the XPS  results with Transmission Electron Microscopy  (TEM) 

images of cross sections of the memory devices. 

Collaboration:  Department  of  Engineering  Physics  and Mathematics,  and  Center  for New Materials, Helsinki University of Technology, FINLAND 

 

Charge Transport and Recombination in hybrid organic‐TiO2 based devices 

Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPh, DPC 

S. Sandén, G. Sliauzys, Q. Xu, J‐H. Smått, M. Lindén and R. Österbacka  The purpose of this project is to clarify the charge transport in hybrid organic–inorganic solar cells. The main materials studied are TiO2, poly(3‐hexylthiophene)   (P3HT) and the fullerene derivative PCBM. By using nanostructured TiO2  that has pores  through which  the underlying substrate can be  reached, we have the possibility to utilize this in the manufacturing of a novel intrinsic tandem solar cell.   To clarify  the charge  transport and  recombination  in  these devices, we are using  time of  flight  (ToF), charge extraction by linearly increasing voltage (CELIV) and double injection (DoI) techniques. The use of these different  techniques makes  it possible  to obtain quantities  such as mobility,  lifetime etc. which enable us to characterize the charge transport and recombination in these devices.  We have measured charge transport and recombination of TiO2:P3HT films, where the TiO2 films have been flat, porous or nanostructured. By measuring on these different surfaces it is possible to separate the effect of the interface between TiO2 and P3HT. It has been concluded that the interface gives rise to a large amount of surface traps which affects the charge transport in these devices.  Collaboration: Department of Solid State Electronics, Vilnius University, Vilnius, Lithuania Department of Chemistry,  University  of  Joensuu  (Prof.  T.  Pakkanen)  and  Biomaterials  center  Univ.  of  Turku  (Dr.  S. Areva)    

Charge transport and recombination in bulk‐heterojunction solar‐cells 

Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPh 

G. Sliauzys and R. Österbacka 

 

One of the main factors  limiting the conversion efficiency  in organic solar cells  is the recombination of 

the  charge  carriers.  In  low  mobility  materials  a  bimolecular  Langevintype  recombination  is  usually 

Page 65: 3. Research 3.1 Theses

73  

observed  [1]. Langevin  recombination  is caused by  the probability  for electrons and holes  to meet  in 

coordinate space, and therefore depends on the transport properties of the charge carriers. 

We  have  previously  shown  that  in  bulk  heterojunction  solar  cells made  from  blends  of  regioregular 

poly(3‐hexylthiophene) with [6,6]‐phenyl‐C61‐butyric acid methyl ester (RRP3HT:PCBM) the bimolecular 

recombination is reduced by 1000 times with respect to the Langevin recombination [1]. Using different 

experimental methods  such  as  double  injection  current  transients  (DoI),  integral mode  time‐of‐flight 

(TOF),  and  charge  carrier  extraction  with  linearly  increasing  voltage  (CELIV)we  found  that  the 

bimolecular recombination coefficient  depends on density of the charge carriers n. This dependence is observed only in samples, where lamellar structures are formed [1].  

In  this work, we  shown  that  recombination  in  regioregular  poly(3‐hexylthiophene):[6,6]‐phenyl‐C61‐

butyric acid methyl ester (RRP3HT:PCBM) bulk heterojunction solar cells is caused by  two dimensional 

(2D) Langevin recombination  in  the  lamellar structures of RRP3HT, which are  formed  in  the annealing 

process  [2]. Due  to  the 2D  Langevin process,  the bimolecular  recombination  coefficient  is  reduced  in 

comparison to the 3D case, and also depends on the density of charge carriers. 

Collaboration:  Department  of  Solid  State  Electronics,  Vilnius  University,  Lithuania,  Linz  Institute  for Organic Solar Cells, Johannes Kepler University, Linz, Austria and Konarka Austria, Linz, Austria 

Publication: G.  Juska,  G.  Sliauzys,    K.  Genevicius,  Nerijus  Nekrasas,    K.  Arlauskas,  and  R.  Österbacka,  ”Two‐Dimensional Langevin Recombination”, Applied Physics Letters, in press (2009)  

Photoexcitation dynamics in disordered organic materials 

Main funding: Academy of Finland  Participating FunMat unit: DPh 

Harri Aarnio, Mathias Nyman, Ronald Österbacka 

Optical properties of an electroluminescent poly(phenylene vinylene‐cofluorenylene vinylene)  (BPPPV‐

PF)‐based  _‐conjugated  polymer  using  absorption,  photoluminescence  (PL),  time‐resolved  photo‐

luminescence (TRPL), continuous wave (CW) and transient‐photoinduced absorption (PA) spectroscopic 

techniques. 

Transient  photoinduced  absorption  measurements  have  been  performed  on  the  alternating 

polyfluorene  copolymer,  poly[2,7‐(9,9‐dioctylfluorene)‐alt‐5,5‐(4’,7’‐di‐2‐thienyl‐2’,1’,3‐benzothia‐

diazole)]  (APFO3) on  femtosecond  to nanosecond  timescales. Further, delayed  fluorescence has been 

measured  up  to microsecond  timescales.  Based  on  these  results  we  have  created  a model  of  the 

photoexcitation dynamics  in the polymer. The model  includes decay of singlet excitons and  intrachain 

polaron  pairs,  but  also  build‐up  and  decay  of  interchain  polaron  pairs.  The  results  are  modeled 

numerically  and  the  parameters  which  govern  the  generation  and  recombination  processes  are 

extracted. 

Page 66: 3. Research 3.1 Theses

74  

Collaboration: Institute of Materials Research and Engineering, A*STAR (Agency for Science, Technology and Research), Singapore and Lund Laser Center (Prof. V. Sundström) 

A Combined Optical and Electrical Method  for Measuring Charge Carrier Dynamics  in Bulk‐

heterojunction Solar Cells 

Main funding: Academy of Finland (Morphoso))  Participating FunMat unit: DPh 

M. Nyman, H. Aarnio and R. Österbacka 

A  novel method  for measuring  charge  carrier  dynamics  in  bulk‐heterojunction  solar  cells  has  been 

developed. The method combines transient photo‐induced absorption (tPA) with charge extraction by a 

pulsed voltage (CEPV). The transient photo‐induced absorption technique is used to optically study the 

decay rates of excitations on ns – µs timescales. Some of the charges are extracted by a voltage pulse 

and the subsequent alteration of the excitation decay rates is studied. The amount of extracted charges 

is measured and compared to the decrease in the photo‐induced absorption. 

The method has been tested on bulk heterojunction solar cells based on the conjugated polymer poly(3‐

hexylthiophene‐2,5‐diyl)  (P3HT) and  the  fullerene derivative  [6,6]‐phenyl‐C61‐butyric acid methyl ester 

(PCBM). 

Collaboration:  Department  of  Solid  State  Electronics,  Vilnius  University,  Lithuania,  Bioorganic 

electronics, Linköping University, and Fraunhofer ISE. 

 

Ion‐conducting membrane based organic transistors 

Main funding: Åbo Akademi University and The Foundation of Åbo Akademi University  Participating FunMat unit: DPh, LPT 

Nikolai J. Kaihovirta, Carl‐Johan Wikman, Tapio Mäkelä, Carl‐Eric Wilén, and Ronald Österbacka 

We have developed a novel concept of organic transistors that uses ion‐conducting membranes as gate 

insulators. The fabrication steps of the membrane‐FET (MemFET) can be shown to be fully implemented 

into a large‐area fabrication line. The thickness of the used membranes varies between 50 and 150 mm. 

Therefore, they may be used as mechanical support, removing (at  least) one process step. The  idea of 

using an insulator both as gate dielectric and support has been presented before. In our case, however, 

the  very  thick  membrane  provides  mechanical  robustness,  allowing  at  the  same  time  low‐voltage 

operation with  a  high  current  output. We  show  that  both  a  commercially  available membrane  and 

membranes  optimized  for  different  ionic  species  can  be  used  for MemFETs.  The membrane  can  be 

patterned  to  be  locally  ion  conducting  for MemFETs  as  well  as  for  other  purposes  where  a  solid 

electrolyte is required. This concept also allows for multifunctional integration of organic devices on the 

Page 67: 3. Research 3.1 Theses

75  

selfsupported membrane, as illustrated in the last section where an electrochromic (EC) display pixel is 

connected to a MemFET that  is  integrated on the same membrane. Hence, the versatile properties of 

the membrane are successfully utilized. 

 

Fig.  a)  Schematic  cross‐section  of  the MemFET.  The membrane  acts  both  as  gate  insulator  and  mechanical support.  b)  Output  and  c)  transfer  curves  of  a  Nafion115  MemFET  measured  in  inert  atmosphere.  d) Chronoamperometric  response of a Nafion115 MemFET when  switching between off and on  states. The drain‐voltage is kept constant.  

 

 

 

 

Page 68: 3. Research 3.1 Theses

76  

3.2.6 Printable active electronic Sensors, Indicators and Devices 

 

When functional inks are used in applications, different printing and coating techniques are needed. To 

realize  low‐cost roll‐to‐roll production of  intelligent paper‐ and plastic based products, there  is a need 

for  high‐speed  production  techniques.  The  target  for  the  Functional  Printing  Laboratory  (FPL)  is  to 

demonstrate suitable roll‐to‐roll printing techniques for functional materials within FUNMAT as well as 

to develop novel methods  for  functional  inks  including e.g.  insulating,  semiconducting,  conducting or 

magnetically responsive materials. 

The  FPL  hosts  laboratory  scale,  versatile  functional  printing  equipment  for  our  partners.   We  have 

currently  used  reverse  gravure  coating  (RG)  and  inkjet  printing  techniques  to  demonstrate  printed 

organic electronic devices on both plastic and fibre‐based substrates. Due to the different nature of the 

functional  inks one printing method cannot cover all  the needs. Different solvents, viscosities, surface 

tensions or particle sizes play a large role for the print quality. Also the device configurations, alignment 

accuracy and minimum feature sizes are parameters which play a crucial role when choosing the most 

suitable printing process.  

We  are  also  developing  a  novel  continuous  roll‐to‐roll  manufacturing  technique  for  testing  and 

prototyping purposes.  In our modular roll‐to‐roll table‐top printer (FUNPRINTER) at  least  five different 

printing units (gravure, flexo, coating, ink‐jet, lamination) can be used sequentially. We can analyze the 

printing parameters  in‐situ since speed of the web can be controlled from 0.1 meters/minute up to 20 

meters/minute. This small scale roll‐to‐roll device enables us to demonstrate fully printed applications 

already when only a few milliliters of functional inks are available and when the material of choice is not 

commercially available. 

 

Surface energy patterning for inkjet printing in device fabrication 

 Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  Participating FunMat unit: DPh, DPC 

Jian Lin, Per Dahlsten, Mika. Linden and Ronald Österbacka  

For  application  of  device  fabrication  by  inkjet  printing,  an  accurate  and  high  resolution  patterning 

method  is  required. However,  the printing  resolution depends on  the minimum  size of  inkjet nozzle, 

which  is  limited by  the  surface  tension of  the  inks. And  the quality of  the  inkjet printing  also needs 

improvement  because  of wrong  and  satellite  droplets.  An  expanded  control  of  ink  deposit  in  inkjet 

printing with substrate modifications can be used to improve the resolution of the devices. Our strategy 

is  depositing  a  hydrophobic  pattern  on  a  hydrophilic  substrate  firstly,  and  thereafter  prints  the 

functional ink on top of the pattern with hydrophilic lines of suitable width. Higher resolution and better 

Page 69: 3. Research 3.1 Theses

77  

ink‐substrate combination can be obtained by this method. This visible and easy processing pattern can 

be used widely for more precise, thin and sharp lines, and smaller devices.  

 

Fig. Schematic outline of the procedure for PI surface energy pattern by microcontact printing and inkjet printing on patterned PI. 

 

Fig. Comparison of ink printed on a piece of patterned PI between areas with ODTS layer (right) and without ODTS layer (left side). The ink was printed as a matrix with 20 m dot spacing.

 

Collaboration:  Department of Electronics, Tampere University of Technology, Tampere, Finland, Vicinics consortium at Tampere University of Technology, plus industry.  

 

 

 

 

Page 70: 3. Research 3.1 Theses

78  

Printable Electronics based Sensor Platform  Main funding: Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)  Participating FunMat unit: DPh 

Niklas Björklund, Fredrik Pettersson, Himadri Majumdar and Ronald Österbacka  The main objective of  this project  is  to develop printable  electronics  towards  a  technology platform suitable  for development of embedded  large area sensor applications. This goal can be split  following objectives. 

- combination  of  different  printing  process  with  various  other  (e.g.  laser,  electrical  sintering, etching) processing technologies in high volume processes  

- producing  printed  platforms  suitable  for  antenna,  organic  transistor,  sensor  and  silicon  IC integration 

- development of novel  low  voltage  switching  transistors  for printed  sensor multiplexing using combinational processes  

The main  responsibility  for  the  group  at DPh  is  to develop  solutions  for R2R‐compatible  low‐voltage organic  field‐effect  transistors  (OFETs).  Reducing  the  capacitive  coupling  is  the  key  to  low‐voltage operation  (below  5 V);  the  efforts  have  therefore  been  concentrated  to  the  dielectric  layer.  Several organic dielectrics  and  inorganic oxides have been  studied, Al2O3 have  so  far proven  to be  the most promising approach.  

 

Fig.  Schematic layout of the low‐voltage Al2O3 OFET. 

 

Fig.  Typical transfer and output (inset) characteristics for the low‐voltage Al2O3 OFET. 

Page 71: 3. Research 3.1 Theses

79  

Fig. 2. A schematic image of the roll‐to‐

roll reverse gravure coating process. 

Fig. 3. A schematic image of the architecture 

of the reverse gravure coated organic bulk 

heterojunction solar cell. 

Collaboration:  Department  of  Electronics  Oulu  University,  Department  of  Electronics,  Tampere 

University of Technology, plus industrial partners. 

 

Roll‐to‐roll fabrication of plastic solar cells 

 Main funding:   Participating FunMat unit: DPh 

Daniel Tobjörk, Harri Aarnio, Tapio Mäkelä and Ronald Österbacka 

Plastic  solar  cells  can  be  fabricated  from  solution 

processable materials on flexible substrates. This  is a great 

advantage compared  to silicon based solar cells, since  this 

offers  the  possibility  of  using  similar  low‐cost  large‐area 

roll‐to‐roll  fabrication methods as are used  in  the printing 

industry.  In this work we have studied the reverse gravure 

coating  technique  (see  Fig. 2)  as  a way  of  producing  thin 

homogeneous films for plastic solar cells. [1,2] 

 

 

 

 

      A  schematic  image  of  an  organic  bulk      

heterojunction  type  solar  cell  is  shown  in Fig. 3. The 

bottom  poly(3,4‐ethylenedioxy‐thiophene):poly 

(styrene  sulfonate)  (PEDOT:PSS)  layer  is  a  hole 

conducting polymer, while the active layer is based on 

the  conjugated  polymer  regioregular  poly(3‐

hexylthiophene‐2,5‐diyl)  (P3HT)  and  the  fullerene 

derivative  [6,6]‐phenyl‐C61‐butyric  acid methyl  ester 

(PCBM). 

 

 

 

 

Page 72: 3. Research 3.1 Theses

80  

Fig.  An image of flexible HIFETs. 

Fig. 4. J‐V curves of a reverse gravure 

coated and a spin coated plastic solar 

cell under simulated AM1.5 illumination 

(100 mW/cm2). 

The hole conducting PEDOT:PSS layer and the 100 nm thick 

active organic P3HT:PCBM layer were subsequently reverse 

gravure  coated  on  an  indium  tin‐oxide  (ITO)  covered 

polyester (PET) film in ambient air. Working solar cells were 

achieved  after  annealing  and  thermal  evaporation  of  the 

top  contact  (LiF  and  Al).  The  current‐voltage  (J‐V) 

characteristics of the reverse gravure coated solar cell was 

measured  under  simulated  AM1.5  illumination  and 

compared with a reference solar cell that was fabricated by 

laboratory scale spin coating methods on a glass substrate 

in a nitrogen glove box  (see Fig. 4). The power conversion 

efficiency (PCE) of the reverse gravure coated organic solar 

cells was determined to around 0.8% and was very close to 

the reference device.  

 

 All‐printed low‐voltage transistors on plastic substrate   Participating FunMat unit: DPh 

Daniel Tobjörk, Nikolai Kaihovirta, Tapio Mäkelä and Ronald Österbacka  

Conducting,  semiconducting  and  insulating  materials  in 

solutions and dispersions provide the possibility of fabricating 

organic devices on flexible substrates with similar techniques 

as are used in the printing industry. [1‐3] 

We  have  manufactured  organic  transistors  on  low‐cost 

flexible  substrates  completely  with  fabrication  techniques 

that  allow  a  high  throughput  of  devices  at  a  low  cost.  All‐

printed hygroscopic  insulator  field effect  transistors  (HIFETs) 

were  demonstrated  by  ink‐jet  printing  all  electrodes  (from 

conducting polymer and silver nanoparticle inks) and applying 

the  polymer  semiconductor  and  insulator  layers  from 

solutions  with  the  roll‐to‐roll  reverse  gravure  coating 

technique in ambient air. [1,2] 

On problem with most organic transistors is the usually very high driving voltage (10‐100V), which is not 

suitable  for  portable  electronics.  However,  the  printed  HIFETs  operate  at  low‐voltage  in  ambient 

(humid) air, thanks to the ionic drift in the polymer insulator, poly(4‐vinylphenol) (PVP). 

We have also  investiged  the effect of  the substrate  roughness on  the HIFETs and compared  this with 

traditional organic FETs (OFETs). In Fig. 2. a comparison of devices fabricated on two different polyester 

Page 73: 3. Research 3.1 Theses

81  

substrates is shown. The root‐mean‐square (RMS) roughness of the PET‐505 substrate was measured to 

4‐6 nm  (by  AFM  on  20 μm ×20 μm  areas) while  the  same  value  on  the  rougher  low‐cost Mylar®  A 

substrate was 25–50 nm. 

In opposite to the traditional OFETs the HIFETs were found to be rather insensitive to the roughness of 

the plastic substrates. Also the yield of working devices was found to be much higher with the HIFETs. 

This  insensitivity  to  the  surface  roughness  is due  to  the  thick  insulator  layer  (1‐2 µm)  in  combination 

with  the  ion  modulation  which  also  makes  the  transistor  insensitive  to  variations  in  the  insulator 

thickness. [2] 

 

Fig.  AFM images of (a) PET 505 and (b) Mylar® A substrates. Typical transfer curves for (c) HIFETs and (d) 

OFETs on PET 505 and Mylar®. The square root of the drain currents are shown for the same (e) HIFETs 

and (f) OFETs. [2] 

          

Page 74: 3. Research 3.1 Theses

82  

Printed low‐voltage organic transistors on paper    

 Main funding:   Participating FunMat unit: DPh, LPCC                                                                                              

Daniel Tobjörk, Nikolai Kaihovirta, Roger Bollström, Anni Määttänen, Tapio Mäkelä, Petri Ihalainen, 

Jouko Peltonen, Martti Toivakka and Ronald Österbacka 

Inspired  by  the  robustness  and  printability  of  the  hygroscopic 

insulator organic transistors (HIFETs) on the rough plastic substrate 

we  were  able  to  manufacture  these  transistors  even  on  paper 

substrates. [1] The recyclable paper based substrates were specially 

developed  for  this purpose. The  ink‐jet printed  silver nanoparticle 

elelctrodes were made  conductive within 10  seconds by exposing 

them to an infrared lamp. Ink‐jet printing was also investigated as a 

way of applying the semiconductor and insulator layers. The output 

curve of a “paper transistor“ that has been stored in ambient air for 

4.5 months is shown in Fig. 1. 

 

Publications: R. Bollström, A. Määttänen, D. Tobjörk, P.  Ihalainen, N. Kaihovirta, R. Österbacka,  J. Peltonen and M. Toivakka,  “A  multilayer  coated  fiber‐based  substrate  suitable  for  printed  functionality”,  Organic Electronics (2009), doi:10.1016/j.orgel.2009.04.014 

Ink‐jet printed organic diodes as magnetic sensors 

 Main funding: Åbo Akademi University and the Foundation of Åbo Akademi University  Participating FunMat unit: DPh 

Daniel Tobjörk, Himadri S. Majumdar, Sayani Majumdar, and Ronald Österbacka 

Diodes are  important basic  components  in electronic  circuits as  rectifiers. By using  suitable materials 

and  architecture  diodes  are  also  used  in  the  special  areas  of  solar  cells  and  light  emitting  diodes. 

Another  interesting  application  of  using  organic  diodes  as magnetic  sensors was  opened  up  by  the 

discovery of the organic magnetoresistance (MR) effect.  

We  have  studied  ink‐jet  printing  as  a way  of manufacturing  organic  diodes  and  using  them  as 

magnetic  sensors.  The  printed  diodes  were  fabricated  on  flexible  plastic  substrates  with  pre‐

patterned aluminum contacts. Both the polymer semiconductor and the top silver electrode were 

applied by  ink‐jet printing. The  silver nanoparticle  ink was  annealed on a hot plate at 120⁰C  for 

20 min before measuring the diodes. The printed devices showed a positive MR response of 10 – 

Fig.  Output curve of a HIFET 

measured 4.5 months after 

the fabrication. 

Page 75: 3. Research 3.1 Theses

83  

15%, which was almost as good as  for spin coated and evaporated devices. The device yield and 

stability of the printed devices was, however, not yet as good as for the laboratory scale fabricated 

devices.  

Publications: S. Majumdar, H. S. Majumdar, D. Tobjörk, and R. Österbacka, “Towards printed magnetic sensors based on organic diodes”, Physica Status Solidi: A (2009), Accepted. arXiv:0809.3864v1  

Adjustable packaging line of the future 

 Main funding:  EAKR, Development programs.  Participating FunMat unit: DPh  The packaging business is considered to have significant growth potential in the near future. At present, fiber‐based  packaging  materials  are  considered  to  have  great  potential  in  terms  of  packaging technologies, and  to provide opportunities  that should be seized as soon as possible. The “Adjustable packaging line of the future” projects are to develop and construct a new type of flexible manufacturing system platform for the manufacturing of paperboard packages. The project concentrates on improving the conventional production process of paperboard packaging manufactured by pressing so that  it  is a competitive alternative to other packaging solutions – mainly plastic and aluminum ones.   The packaging market  is growing rapidly  in the  industrialized world as families become smaller, and  in the developing world due to the strong growth of the middle class. The turnover of the global packaging market  is  approximately 500 million dollars  a  year, which  is  six  times  the  amount of  Finnish exports annually. Forecasts indicate that the packaging market will continue to expand in the coming years. The need for manufacturing system improvement is evident because food products companies have turned to  Finnish  paperboard  producers  in  search  of  ecological  packaging  solutions.  Manufacturers  of packaging materials do not, however, have sufficient expertise to develop the manufacturing processes of  packages.  Therefore,  exploring  the  possibilities  to  use  paperboard  in  future  innovative  packaging solutions requires in‐depth academic research. 

The  “Adjustable packaging  line of  the  future” projects are a  collaborative effort of  the  Lappeenranta 

University  of  Technology  LUT  Packaging  Research  Institute,  the  Åbo  Akademi  University  Centre  for 

Functional Materials, and the Lahti University of Applied Sciences Institute of Design. It responds to the 

needs  of  Finnish  packaging  research,  the  forest  industry  and  paperboard  converting  companies  by 

building a cross‐regional network composed of experts in material and manufacturing technologies and 

design  from Southern Finland. The main aim of the project  is to develop and construct the adjustable 

and modular packaging line. When the adjustable packaging line is finished, it will be a key element and 

research  platform  in  the  research  and  education  involving  packaging  technologies  at  Lappeenranta 

University of Technology. 

The overall budget of the “Adjustable packaging line of the future” projects is approximately 2.1 million 

Euros, of which the ERDF covers 1.4 million Euros. The head of research responsible for the projects  is 

Juha Varis, Professor of Production Engineering at Lappeenranta University of Technology, accompanied 

Page 76: 3. Research 3.1 Theses

84  

by  Project Manager Mika  Kainusalmi.  Professor  Ronald Österbacka  is  in  charge  of  the Åbo Akademi 

University sub‐project on electronic  indicators, and Senior Lecturer Marja Lampainen  is responsible for 

the sub‐project of the Lahti Institute of Design focusing on packaging design and the industrial design of 

the packaging line. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 77: 3. Research 3.1 Theses

85  

3.2.7 Functional Materials Printing (FunPrint) Center 

Project leader PhD Tapio Mäkelä 

Main funding: Åbo Akademi Foundation  

Participating FunMat units: DPC, LPT, LPC, LPCC, DPh 

 

INTRODUCTION 

A huge  interest  in  low cost and high speed manufacturing methods for printed  intelligence has surged and in recent years the first printed prototypes have been launched world wide. To realize low‐cost roll‐to‐roll  production  of  intelligent  paper‐  and  plastic  based  products,  there  is  a  need  for  high‐speed production  techniques,  but  especially  materials  development  and  formulation  is  critical  for  the successful printing of the needed multilayered structures. Typically, the problem lies in up‐scaling of the processing.  

When  functional,  responsive materials  are  used  as  inks  in  applications,  various  printing  and  coating techniques are required. The sometimes incompatible characteristics, such as solubility, viscosity etc. of the  individual functional materials requires different printing methods to avoid problems  in multilayer printing caused by wettability and solvation for instance. The device configurations, alignment accuracy and minimum  feature sizes are parameters which play a crucial role when choosing the most suitable printing process. The  target  for  the Functional Material Printing Center  (FUNPRINT)  is  to demonstrate suitable roll‐to‐roll printing techniques for functional materials and devices produced within FUNMAT.  

The FUNPRINT hosts versatile, laboratory scale functional printing equipment for our partners.  We have demonstrated  fully printed organic electronic devices on both plastic and  fibre‐based  substrates. We have used hot embossing/imprinting technique to manufacturing plastic devices for bio applications. As a final target  in FUNPRINT we will prototype an all printed device where several functionalities will be combined in the same process. 

BACKGROUND 

As  the  basis  of  FUNPRINT,  a  novel  continuous  roll‐to‐roll  manufacturing  device  for  testing  and prototyping purposes were developed. In our modular roll‐to‐roll printer (FUNPRINTER) more than five different  printing  units  (e.g.  gravure,  flexo,  reverse  gravure  coating,  ink‐jets,  and  hot  embossing  or lamination) can be used sequentially. We can analyze the printing parameters in‐situ since speed of the web  can  be  controlled  from  0.1 meters/minute  up  to  20 meters/minute.  This  small  scale  roll‐to‐roll device  enables  us  to  demonstrate  fully  printed  applications  already  when  only  a  few millilitres  of functional inks are available. This demonstration machine is the link between research work and a high volume industrial manufacturing.  

Some of  the proposed applications do not need a  continuous manufacturing process and  sometimes those are easier to demonstrate without continuous web. The first printing equipment: Inkjet (A3‐sheet) system were purchased and  installed  in year 2006 as well as sheet  resistivity measuring unit which  is used  for  fast analyzing on conductivity  from a printed web. Reverse Gravure  (roll‐to‐roll) coater were installed  in year 2006 and simultaneously, the design and manufacturing of the multifunctional roll‐to‐roll printer (FUNPRINTER) started.  

Page 78: 3. Research 3.1 Theses

86  

Furthermore,  FUNPRINT  has  played  a  crucial  role  in  demonstrating  the  printed  devices  such  as nanoparticulate magnetic  inks, organic  field effect  transistors, organic solar cells and optimized paper surfaces. These results have been reported more detail elsewhere in this report. 

TARGETS 

Within  FunMat,  it  is  very  important  to  understand  the  chemical  and  physical  behavior  of materials, surfaces  and  the  printing  process  itself.  The  demonstration  of  the  printability  of  high  volume applications such as electronic devices, functional surfaces and different indicators are the main targets of the FUNPRINT research.  

For cheap,  large‐scale manufacturing, roll‐to‐roll printing techniques are natural choices. Conventional roll‐to‐roll  techniques  such  as  gravure,  flexographic  printing  and  inkjet‐printing  as  well  as  coating methods such as reverse gravure, blade coating and lamination will be used in our equipment. However, other techniques such as offset, spray coating or other novel printing methods can be added later when needed.  

LABORATORY AND EQUIPMENT 

The  FUNPRINT  laboratory  consists  of  50 m2  room  including  3  fume  chambers where  the  laboratory scales  Inkjet‐printer  and  a  reverse  gravure  coater  has  been  installed.  Hot  embossing  and  resistivity measurement units are  installed on  laboratory table. Furthermore, the novel roll‐roll FUNPRINTER has been ready to use  in the beginning of 2008. During 2009 master‐ and doctoral students have received training  for using  these  special  laboratory equipments.  In  the  following  chapters  the most  important laboratory equipment were shown more detailed and results in the year 2009 observed. The FUNPRINT laboratory was  fully  funded by Åbo Akademi University with  the  funds provided by  the Åbo Akademi Foundation via the strong research environment program. 

INKJET 

Inkjet is one very important part of our research, both from a manufacturing point of view as well as for materials testing. Dimatix Material Printer DMP‐2800 was installed in fume chamber and it is capable of printing A3 size substrates (Fig.1). Results from successful ink‐jetted results in 2009 are reported in the references  [3‐4  and  refs.  therein].  Furthermore,  roll‐to‐roll  suitable  Inkjet  from  Imaje  is  used  in FUNPRINTER for continuous all‐printed devices.  

Page 79: 3. Research 3.1 Theses

87  

              Fig. 1. Dimatix material printer (A3 size) and printed Inkjet printed Ag‐ source‐drain structures on plastic substrate. 

 

REVERSE GRAVURE COATING 

The principle of reverse gravure coating method  is shown  in Fig. 2. In the reverse gravure method, the patterned  roll  (e.g. gravure  roll)  rotates  in  the opposite direction  to  the web and “kisses”  the coated surface without a backing roll. Otherwise this methods  is very similar than gravure method. The small contact  area between  the  transfer  roll  and web  enables  a  good  thickness  control  from  ca  10 nm  to several micrometers. The coating speed can be varied  from 0.1 up to ca. 2 m/minute.  In the machine (from Yasui Seiki) shown in Fig. 2 the web width is 10 cm. The reverse gravure method is used in industry to coat thin liquid films (1‐50 mm) when ink viscosities are between 1 and 2000 mPas. The dry thickness of the layer can be varied by changing the ink‐concentration, coating roll, roll speed or web speed. 

      

Fig. 2. Reverse gravure device from Yasui Seiki and an example of a roll of coated inherently conducting polyaniline on polyethylene tereftalate (PET).  

 

 

www.dimatix.com 

www.dimatix.com 

Page 80: 3. Research 3.1 Theses

88  

As an example of using unique combination to producing OFET structure were reported e.g. in Ref. 3. In this  example  inkjetting  and  reverse  gravure  coating were used  to demonstrate OFET device. Process flow chart and device were shown in Figure 3.  

 

 

Figure  3.    An  example  of  process  for  producing  OFET  where  different  roll‐to‐roll  suitable  printing methods (inkjet and reverse gravure) have been used [3]. 

FLEXOGRAPHIC PRINTING 

In the flexible image plate the image element is raised above the non‐image area. In the FLEXO process the printing  ink  is  first  transferred  to  the  so‐called  anilox  roll  and  the  surplus  is  removed by blading (doctor  blade).  The  ink  is  transferred  from  the  anilox  to  the  flexoplate, which  contains  the  desired pattern. The flexoplate transfers the image to the web. A schematic picture of FLEXO is shown in Figure 4. The anilox roll is ceramic or chromium coated containing cells with widths corresponding to 200‐600 lines/cm. The  flexible printing plate  is made of photocurable  rubber and  the  typical  resolution  in  the photopolymer plate  is approximately 60  lines/cm (50‐100 micrometer). The printing  ink transfers from the flexoplate to the web using only light pressure. 

 

       

Fig. 4. Schematic presentation of flexographic (FLEXO) printing (left) and 20 meter of printed Ag source drain structures on paper substrate (right). Structures are printed using FUNPRINTER device.  

Page 81: 3. Research 3.1 Theses

89  

HOT EMBOSSING 

A hot embossing and small scale embossing unit was  installed  in  the FUNPRINT  laboratory  in 2008.  In Fig. 4 the basic principle of the planar and roll‐to‐roll hot embossing methods are shown. A metal stamp is heated above  the glass  transition  temperature of a polymer and pressed against  the polymer. The pressure is kept constant while the metal stamp is cooled close to the room temperature. After this, the stamp is released and the stamp feature is transferred to the polymer. In the end of 2009 the roll‐to‐roll embossing unit was used in FUNPRINTER. In the roll‐to‐roll embossing method flexible Ni‐stamp is used instead of planar  stamp.  In  this  case Ni‐stamp  is wrapped on metal  cylinder  and heated by using  IR heater element. These results will be reported in 2010. 

                

Fig.  4.  Schematic  presentation  of  hot  embossing  techniques  is  shown.  The  heated  metal  stamp  is pressed against  the polymer  layer at  temperature above  the glass  temperature of  the polymer, after which the stamp is cooled and released.  

Figure 5  shows a metal  stamp used  in  the planar hot embossing experiments and an example of  the printed well‐structure on the 1 mm thick polycarbonate film. The used temperature  is 140 C, pressure ca, 8 MPa and embossing time 5 min. The printed structures will be used  in the bio applications  in the future. The roll‐to‐roll hot embossing mold is shown in figure 5 (left). 

Metal stamp

T > Tg, P

Polymer

Page 82: 3. Research 3.1 Theses

90  

   

 

Fig. 5. A graved Al‐stamp used  in  the experiments  (left). The  stamp  consist 15 well  structures with a diameter of 1 mm and height of 2 mm. The printed example in polycarbonate film is shown in (center) and flexible Ni‐mold used in roll‐to‐roll hot embossing (right). 

 

FUNPRINTER‐DEVICE 

This multifunctional  and modular  printing  device was  designed  to  include  reverse‐gravure,  gravure, flexographic,  lamination/calendaring and  Inkjet units. The web width was adjusted  to 10  cm  to  keep material consumption as low as possible. The printing speed can be varied from 0.1 m/minute up to ca. 20 m/minute.  All  printing  units  are  placed  in  sequence  which  allows  the  use  of  different  printing techniques in one printing cycle as well as interchanging of printing sequence. All units are synchronized. In the year 2009, roll‐to‐roll hot embossing equipment was manufactured particularly for the use in bio applications. The real FUNRINTER device is shown in Fig. 6.   

Page 83: 3. Research 3.1 Theses

91  

 

Fig. 6. The unique  roll‐to‐roll printing device  (Funprinter)  is  shown. The  speed control and  inkjets are operated by a computer when pressures and  temperatures are controlled manually. The order of  the printing units can be changed easily for versatile printing with low material consumption. 

 

In the year 2009 FUNPRINTER were further developed by adding three flexographic units and roll‐to‐roll reverse gravure coating unit together. Also two inkjet units can be used at the same time. The alignment of the two inkjet units is software controlled. The inkjet heads are shown in Fig. 7 where oil based inks are used for demonstrating the alignment of the two heads. In the year 2009 an optical camera system is being installed. An aligning accuracy of ca. 100 micrometer is needed.  

   

Fig. 7. The  inkjet heads on  the  roll‐to‐roll printing device  (Funprinter). First head  contain 128 nozzles (left) and second head 512 nozzles (right). Aligning of inkjet units is performed by using inkjet controlling 

Page 84: 3. Research 3.1 Theses

92  

software and delay time therein. The roll‐to‐roll  inkjet  is tested by printing Carbon based  ink on paper substrate. 

 

As an example of using multiple printing units at the same time a thermocromic device (“hidden code”) is printed. Schematic principle of the printing process  is shown  in Fig. 8 where Inkjet 1  is used to print first  layer,  reverse  gravure method  second  and  inkjet  2  third  layers.  In  the  device  the  hidden  code appears when device were heated above transition temperature (47 C). Thermochromic ink turns from red to transparent and also the code under the thermochromic layer becomes visual (Fig.9). 

 

 

 

Fig. 8. A schematic image of the continuous roll‐to‐roll manufacturing process is shown. Three different steps are used  in device manufacturing: hidden code  is printed on web using  inkjet  (Inkjet 1); web  is coated with  thermochromic  ink using  reverse gravure  (RG) coating  technique and  finally visual  layout using inkjet (Inkjet 2). The inks used in the experiment were dried right after the printing unit (dryers 1‐3) and therefore layering was possible. 

 

Page 85: 3. Research 3.1 Theses

93  

 

                                           

Fig. 9. A schematic  image of the thermochromic device  is shown (right). In the device the hidden code appears when device were heated above transition temperature (47 C) (left). Thermochromic ink turns from red to transparent and also the code under the thermochromic layer becomes visually readable. 

 

Collaboration: Future Printing Center, Hansaprint, UPM, StoraEnso, PANIPOL, TTY, VTT, DTU, LUND  Publications: (FUNPRINT related publications 2009) Kaihovirta,  Nikolai;  Wikman  Carl‐Johan;  Mäkelä,  Tapio;  Wilén,  Carl‐Erik;  Österbacka,  Ronald;  Self‐Supported Ion‐Conductive Membrane‐Based Transistors, Advanced Materials 29 (24) (2009) 2520‐2523.  Kaihovirta,  Nikolai;  Wikman,  Carl‐Johan;  Mäkelä,  Tapio;  Wilén,  Carl‐Eric;  Österbacka,  Ronald;  Low‐voltage self‐supported organic transistors based on ion‐conductive membranes, Proceedings of the XLIII  Annual  Conference  of  the  Finnish  Physical  Society.  Espoo,  Finland,  12  ‐  14  March  2009.  Helsinki University of Technology, Espoo (2009), 264.  Tobjörk, Daniel; Kaihovirta, Nikolai; Mäkelä, Tapio; Österbacka, Ronald; All‐printed low‐voltage organic  transistor  on  a  low‐cost  plastic  substrate,  Proceedings  of  the  XLIII Annual  Conference  of  the  Finnish Physical Society. Espoo, Finland, 12  ‐ 14 March 2009. Helsinki University of Technology, Espoo  (2009), 282.  Lin,  Jian;  Pekkanen,  J; Mäntysalo; Matti; Mäkelä,  Tapio;  Österbacka,  Ronald;  Utilization  of  selective patterning for inkjet printing in the electronics manufacturing, IMAPS Advanced Technology Workshop  and  Tabletop  Exhibition  on  Printed Devices  and Applications, Orlando,  Florida, USA,  February  25‐27, (2009).