Tamperelaistutkija kehitti mullistavan lasin, joka on monin verroin terästä lujempaa - Tiede ja teknologia - Aamulehti

Tampereella onnistuttiin sellaisessa, mihin kukaan ei ole pystynyt aiemmin: Mullistava keksintö kumoaa käsityksemme lasin hauraudesta – tämä lasi on terästäkin lujempaa

Erkka Frankbergin, 32, johtama kansainvälinen tutkimusryhmä onnistui antamaan lasille ominaisuuksia, jotka kääntävät päälaelleen tähänastisen tiedon lasista. Uuden tiedon mukaan lasi ei olekaan hauras materiaali, joka rikkoutuu helposti. Tutkija kertoo nyt löydöstä Aamulehden haastattelussa. Ainutlaatuinen löytö julkistetaan arvostetussa Science-tiedelehdessä perjantaina.

Tampereen yliopiston tutkijatohtorin Erkka Frankbergin kädessä olevan piikiekon pinnassa oleva violettia väriä heijastava ohutkalvo on ainutlaatuista terästäkin lujempaa lasia, jonka kaltaista ei ole aikaisemmin kukaan onnistunut tekemään.

14.11.2019 21:00 | Päivitetty 17.11.2019 14:56

Aamulehti

Tampereen yliopiston tutkijatohtorin Erkka Frankbergin johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on antanut lasiselle materiaalille ominaisuuksia, joiden ansiosta lasista saadaan monta kertaa terästä lujempaa materiaalia.

Erkka Frankberg

32-vuotias. Syntynyt Urjalassa. Tuli Tampereelle TTY:lle opiskelemaan materiaalioppia 2006.

Väitteli 2.3.2018 lasimaisesta alumiinioksidista, joka voi muokkautua plastisesti huoneenlämmössä samalla nopeudella kuin monet metallit ja polymeerit.

Työskennellyt keväästä 2018 lähtien tutkijatohtorina Instituto Italiano di Tecnologian nanomateriaalien tutkimuskeskuksessa Milanossa. Palaa Tampereen yliopiston Hervannan kampukselle keväällä 2020.

Johtaa kansainvälistä tutkimusryhmää, joka on kehittänyt ensimmäisenä maailmassa plastisen eli muovautuvan lasin, joka on lujempaa kuin metalli.

Uusi plastinen eli muovautuva lasi mullistaa perinteiset käsitykset lasista hauraana ja helposti rikkoutuvana materiaalina. Plastinen lasi ei murru tavallisen lasin tapaan paineen alla, vaan se venyy ja painuu kasaan.

Plastinen lasi on myös terästä noin kolme kertaa kevyempää.

Ainutlaatuinen ominaisuus saatiin aikaan, kun lasin atomit pistettiin käyttäytymään tavallisuudesta poikkeavalla tavalla.

– Tämä mullistaa käsityksemme lasista. Aikaisemmin ei ole juurikaan saatu viitteitä siitä, että tällainen olisi mahdollista. Pikemminkin on osoitettu, että lasi ei voi näin käyttäytyä, Frankberg kertoi Aamulehdelle alkuviikosta pistäydyttyään pikavisiitillä Tampereella Milanosta Italiasta, missä hän parhailleen työskentelee.

Plastinen lasi kääntää päälaelleen vuosikymmenten aikana lasista kertyneen tiedon ja ymmärryksen.

– Koskaan aikaisemmin ei ole kyetty käytännössä osoittamaan, että huoneenlämmössä näin muovautuvaa lasia on mahdollista valmistaa. Me olemme sen nyt tehneet. Tällä hetkellä ei tunneta mitään muuta lasimaista materiaalia, joka käyttäytyy näin, Frankberg sanoo.

Katso videolta, kuinka plastinen lasi käyttäytyy, kun sitä venytetään. Supertietokoneella tehty atomimalli näyttää, kuinka atomit loksahtelevat uusille paikoilleen (siniset alueet). Tämä ei tapahdu järjestelmällisesti ja tasaisesti vaan sykähdyksittäin. Simulaation on tehnyt Janne Kalikka:

Uusi tapa virittää lasinen materiaali terästäkin lujemmaksi mullistaa myös lasin käytön tulevaisuudessa.

Jos tätä kestävää huoneenlämmössä muovattavaa lasia opitaan valmistamaan teollisessa mittakaavassa, käyttökohteita on lukematon määrä.

– Lasille saattaa löytyä jopa käyttöjä, joita kukaan ei ole koskaan tullut edes ajatelleeksi. Haastamme vanhoja käsityksiä siitä, mitä kaikkea lasista voidaan tehdä, jos se olisi huoneenlämmössä muokkautuvaa ja näin lujaa, Frankberg sanoo.

Tutkimuksen perjantaina julkaiseva arvovaltainen Science-lehti ylistää plastista lasia ja puhuu tuloksista materiaalitieteen ”Graalin maljana”. Science kirjoittaa, että tulevaisuudessa uusia ominaisuuksia saaneesta materiaalista voidaan valmistaa jopa ”tuhoutumattomia” laseja.

Perinteinen lasi murtuu herkästi

Lähes kaikki ympärillämme näkemämme lasi on piioksidipohjaista lasia, josta on tehty erilaisia seoksia eri käyttötarkoituksiin, kuten ikkunoiksi.

Tutkimusryhmä

Erkka Frankbergin johtamassa kansainvälisessä tutkimusryhmässä on mukana tutkijoita Suomesta, Ranskasta, Italiasta, Itävallasta, Norjasta ja USA:sta.

Atomitason mallinnustyö on tehty Tampereella materiaaliopin ja laskennallisen fysiikan tutkimusryhmien yhteistyönä.

Mallinnuksessa käytettiin tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n supertietokoneita Sisua ja taitoa.

Kokeellisessa tutkimuksessa käytettiin Tampereen yliopiston uuden mikroskopiakeskuksen (TMC) laitteita.

Teräksisen lasimateriaalinen venytys ja puristuskokeet tehtiin Lyonissa Ranskassa. Kokeissa käytetyt näytteet valmistettiin Tampereen yliopiston ja Lyonin tutkijoiden yhteistyönä.

Materiaalien valmistaminen kokeita varten kesti kaksi vuotta.

Perinteinen piioksidilasi rikkoutuu herkästi, sillä rakenteen atomit eivät kykene liikkumaan paineen alla.

Siksi lasinpuhaltajien on kuumennettava lasiainesta satojen asteiden lämpötilaan ennen kuin siitä tulee taipuisaa, venyvää ja muovattavaa.

Frankberg johtama tutkimusryhmä käytti kokeissaan lasimaista alumiinioksidia.

Alumiinioksidilasia osataan valmistaa, ja kiteistä alumiinioksidia on paljon saatavilla. Suomessa kehitetyllä atomikerroskasvatusmenetelmällä (ALD) kasvatettuja alumiinioksidiohutkalvoja käytetään jo esimerkiksi elektroniikassa.

– Alumiinia ja happea on kaikkialla, mutta alumiinioksidi ei luonnostaan halua olla lasimaisessa muodossa. Emme keksineet materiaalia, mutta annoimme sille aivan uusia ominaisuuksia kasaamalla lasin atomeita järjestykseen, mitä ei luonnossa tavata, Frankberg sanoo.

Perinteisessä piioksidilasissa atomit viihtyvät kiinteässä muodossa. Lasi murtuu, koska atomit eivät halua lähteä liikkeelle, kun lasiin kohdistuu painetta.

Uudessa plastisessa lasissa materiaaliin luotiin ainutlaatuiset ominaisuudet pakottamalla atomit siirtymään toisiin paikkoihin ennen kuin lasi alkoi murtua paineen alla.

Plastisen lasin venytys- ja puristuskokeet tehtiin Ranskassa Lyonissa läpivalaisuelektronimikroskoopilla. Kuvan keskellä näkyvä kaistale on venyvää lasimaista alumiinioksidia. Muodonmuutosta läpivalaistiin reaaliajassa elektroneilla. Näin saatiin todisteita ilmiön aiheuttavista mekanismeista. Kuvassa näkyvän alueen leveys on noin viisi mikrometriä eli millimetrin tuhannesosaa.

Näin temppu tehtiin

Tutkijat lämmittivät tutkimuskammiossa alustalla olevaa kiteistä alumiinioksidia tuhansien asteiden kuumuuteen kohdistamalla kiteisiin pulssitettua lasersädettä.

Kun laserpulssit räjäyttivät kiteitä atomeiksi, kiderakenne hajosi kaasumaiseksi plasmaksi.

Plasman sinkoutuessa kohti muutaman senttimetrin päässä olevaa toista alustaa, alumiinioksidi jäähtyi salamannopeasti huoneenlämpötilaan ja toisen alustan pintaan rakentui ohut lasinen alumiinioksidikalvo.

Kun kiteistä alumiinioksidia pommitetaan tutkimuslaitteen sisällä laserpulsseilla (vasemmanpuoleinen alusta), kiteet hajoavat atomeiksi ja ne muuntuvat plasmaksi. Tuhansiin asteisiin kuumentunut plasma jäähtyy sekunnin miljardiosissa huoneenlämpöiseksi, ja oikeanpuoleiselle alustalle kerääntyy plastista lasia. Alustojen välinen etäisyys on noin viisi senttimetriä.

Kun kiteiden atomirakenne hajotettiin laserpulsseilla, atomit saatiin käyttäytymään niille hyvin poikkeuksellisella tavalla ja keräysalustalle kertyneet atomit jähmettyivät niille luonnottomaan lasimaiseen epäjärjestykseen.

Kun atomit pysäytettiin paikkoihin, mihin ne eivät luontaisesti pysähtyisi, niillä oli kova halu päästä taas liikkeelle.

– Kun epänormaalissa tilassa oleville atomeille annetaan sopiva kimmoke, ne haluavat jatkaa matkaansa. Kimmoke voi olla esimerkiksi lasin taivutus tai venytys. Lasiin kohdistuva voima pakottaa atomit liikkumaan tiettyyn suuntaan eikä lasi mene rikki. Tämä on se uusi muovautuvuuden mekanismi, jonka löysimme, Frankberg sanoo.

– Kun atomit ovat niille epätavallisilla paikoilla, myös itse materiaali saa epätavallisia ominaisuuksia. Materiaalin lujuus kumpuaa atomisidoksista, jotka ovat vahvempia kuin metalleilla.

Atomimalli paljastaa, että plastisen lasin rakenteessa ei ole paljon virheitä. Virheet näkyvät kuvassa vihreinä alueina. Jos kuvassa olisi perinteinen piioksidilasin malli, kuutio olisi lähes täynnä vihreitä alueita. Kuution sivun pituus on viisi nanometriä eli millimetrin miljoonasosaa.

Hajoamattomia näyttöjä

Terästä lujemmalle plastiselle lasille on paljon kysyntää esimerkiksi elektroniikassa, missä ohuita lasisia kalvoja voidaan käyttää komponenttien alustana ja transistorien eristeenä ohjaamassa virran kulkua ja estämässä virran pääsyä vääriin paikkoihin.

Myös hajoamattoman matkapuhelimen näytön tekeminen olisi mahdollista.

– Näyttö ei murru, vaikka sitä kuinka takoo. Siihen ilmestyisi korkeintaan lommo, mutta siihenkin tarvittaisiin todella paljon voimaa, Frankberg sanoo.

Koneissa terästä kevyemmällä lasisella materiaalilla voitaisiin korvata metalliosia, jotka altistuvat kovalle kuumuudelle, happamuudelle tai muille oloille, missä metallin ominaisuudet heikkenevät.

Myös rakentamisessa superluja lasi olisi oivallinen materiaali.

Italiassa Frankberg työstää jo kollegoidensa kanssa uudesta plastisesta lasista ohutkalvoja, joiden avulla yritetään parantaa ydinvoimaloiden turvallisuutta.

– Tarkoitus on päällystää ydinvoimaloiden polttoainetankoja plastisella lasilla. Lasinen suoja hidastaisi katastrofia ja vastatoimille jäisi enemmän aikaa, Frankberg sanoo.

Näin voitaisiin välttää Japanin Fukushiman kaltaiset ydinvoimalaonnettomuudet, missä menetetään kyky pumpata jäähdytysvettä reaktoriin.

Sovelluksiin vielä pitkä matka

Erkka Frankberg korostaa, että voi viedä vielä kymmeniä vuosia ennen kuin surperlujaa plastista lasia saadaan laajaan käyttöön, sillä vielä ei ole olemassa menetelmiä valmistaa plastista lasia massatuotannossa.

Myös millimetrin kymmenesosia paksumpien alumiinioksidilasien valmistaminen on toistaiseksi mahdotonta.

– Toivottavasti tämä antaa muille sen kipinän, joka innostaa kehittämään teollisia valmistusmenetelmiä ja pohtimaan toden teolla, mihin kaikkeen lasia oikein voidaan käyttää, Frankberg sanoo.

Frankbergin johtama ryhmä on jo alkanut selvittää jatkotutkimuksissa, missä kaikissa laseissa nyt toteutettu ilmiö tapahtuu.

Frankberg palaa Italiasta ensi keväänä Tampereen yliopiston Hervannan kampukselle jatkamaan plastisen lasin tutkimista muun muassa yliopiston uudessa mikroskopiakeskuksessa.

– Nyt julkaistussa työssä keskityttiin siihen, että osoitetaan plastisen lasin tekemisen olevan mahdollista. Syvemmälle on kuitenkin vielä mentävä, jotta todella ymmärtäisimme, miksi jotkut lasit näin käyttäytyvät ja miksi toiset eivät.

Lue lisää: Tampereen yliopistolla on ainutlaatuinen testipaikka – miljoonien huippulaitteilla kehitetään materiaaleja, joilla suojellaan ympäristöä ja parannetaan sairauksia

Plastinen lasi

”Kyllähän se pirun hyvältä tuntui”

Erkka Frankberg sanoo muistavansa ikuisesti hetken, kun hän näki näytöllä ensimmäisen kerran kolme vuotta sitten, kuinka plastinen lasi alkoi venyä.

Erkka Frankberg palaa Italiasta Hervantaan ensi keväänä. Silloin hän jatkaa tutkimuksiaan muun muassa täällä Tampereen yliopiston uudessa mikroskopiakeskuksessa. Läpivalaisuelektronimikroskoopilla voidaan nähdä materiaalien sisäinen rakenne atomien tarkkuudella.

– Se vain venyi ja venyi, kunnes se lopulta murtui. Mutta eihän sen pitänyt venyä lainkaan. Se oli se juttu. Ja näimme sen yhä uudelleen ja uudelleen, Frankberg muistaa ranskalaisten tutkijakollegoiden kanssa kolme vuotta sitten laboratoriossa Lyonissa kokemaansa hienoa hetkeä.

– Kyllähän se pirun hyvältä tuntui.

Ensimmäisiä tuloksia väitöskirjassa

Terästä lujemman plastisen lasin juuret ovat vahvasti Tampereella, sillä ensimmäisen kerran tietoja lasimaisen alumiinioksidin ainutlaatuisista ominaisuuksista julkaistiin Frankbergin väitöskirjassa, joka tarkastettiin maaliskuussa 2018.

Väitöskirjan tuloksista osa nähdään nyt ensimmäisen kerran tieteellisessä julkaisussa perjantaina, kun arvovaltainen Science-lehti Frankbergin johtaman kansainvälisen tutkimusryhmän tulokset julkaisee.

Frankberg korostaa, että nyt julkaistava uusi tutkimus ja hänen väitöskirjansa eivät ole sama työ, sillä mukaan on tullut paljon uusia elementtejä.

–  Samasta aiheesta ne ilman muuta ovat ja samaa materiaalia on tutkittu, Frankberg sanoo.

Oletko oivaltanut jotakin, mitä muut eivät ole oivaltaneet?

– Voi sen niinkin sanoa. Mutta pikemminkin olin riittävän rohkea lähtemään yrittämään jotakin sellaista, mitä muut eivät ole uskaltaneet yrittää. Otimme ison riskin, ja se kannatti, Frankberg sanoo.

Keraameista halutaan kestävämpiä

Frankbergin johtaman kansainvälisen tutkimusryhmän löytö on todella merkittävä, sillä jo pitkään on yritetty selvittää, miten keraameista ja laseista saadaan kestävämpiä.

Keraamit

Keraamit ovat kahden tai useamman alkuaineen yhdistelmiä. Ne kestävät hyvin lämpöä, mekaanista rasitusta sekä kulumista. Niillä on lisäksi erityisiä sähköisiä, magneettisia ja optisia ominaisuuksia.

Keraameja on monenlaisia, ja osa niistä on hauraita. Myös lasit ovat keraameja.

Lujuuden ja sitkeyden parantaminen keraameissa on ollut yksi materiaalitieteen päätavoitteista jo pitkään.

Suhteellisen halpa keraami, jota on helposti saatavilla ja joka muovautuis särkymättä huoneenlämpötilassa, olisi iso läpimurto materiaalien alalla.

– Tässä on keksitty keino, joka sen saattaa mahdollistaa, Frankberg sanoo.

Kun Frankberg tuli Tampereelle opiskelemaan materiaalioppia ja pinnoitustekniikkaa silloiselle TTY:lle 2006, hän erikoistui nopeasti keraameihin.

Frankberg kertoo lukeneensa opiskeluaikana laajasti, sillä alaan liittyivät ohuiden kalvojen lisäksi myös paksut kalvorakenteet ja metallit.

– En keskittynyt pelkästään keraameihin, mutta keraameissa oli jotakin sellaista, mikä kiinnosti heti. Kuten se, että ne olivat jotenkin hankalia, Frankberg muistaa.

Nuoren innostuneen opiskelijan mieleen nousi jo peruskurssien aikana ajatus, että selitykset keraameista ja niiden ominaisuuksista olivat vajavaisia. Ne eivät käyneet järkeen. Se vei mennessään.

– Tässä ei voi olla koko tarina, tästä puuttuu jotakin, ajattelin silloin.  Nyt metsästän niitä puuttuvia osia.

Osion tuoreimmat

Luitko jo nämä?

Mainos