Tutkimus

Materiaalin muodonmuutokseen vaikuttaa se, miten atomit juttelevat keskenään

Tampereen yliopistossa selvitetään numeeristen simulointien ja koneoppimisen avulla esimerkiksi sitä, miten metallit venyvät. Laskennallisen fysiikan tuoreen professorin Lasse Laursonin johtamassa hankkeessa tutkitaan materiaalien muodonmuutoksen perimmäistä olemusta, sekä kehitetään koneoppimiseen perustuvia menetelmiä muodonmuutosprosessin ennustamiseksi ja optimoimiseksi.

Materiaalin muodonmuutoksen ohella lukuisat luonnonilmiöt ovat seurausta systeemin osasten, kuten atomien ja molekyylien, keskinäisistä vuorovaikutuksista. Tällaisissa ns. kompleksisissa systeemeissä esiintyy usein vuorovaikutusten seurauksena uusia, ”emergenttejä” ominaisuuksia, joita ei voi ymmärtää tarkastelemalla systeemin osasia erikseen.

Kun metallikappaleeseen kohdistetaan ulkoista voimaa, se venyy, vääntyy tai puristuu. Professori Lasse Laursonin mukaan tämä johtuu metallikiteessä olevien viivamaisten kidevirheiden – dislokaatioiden – kollektiivisesta dynamiikasta.

– Mikrometrien mittakaavassa kappale muuttaa muotoaan usein ”purskahdellen”, samaan tapaan kuin maa vavahtelee maanjäristyksissä. Metallien osalta kyse on siitä, että suuri määrä kidehilan dislokaatioita ”vyöryy” samanaikaisesti paikasta toiseen. Kun näitä ilmiöitä ymmärtää paremmin teoreettisella tasolla, on mahdollista kehittää mekaanisilta ominaisuuksiltaan parempia materiaaleja sovelluksia varten, Laurson toteaa.

Lasse Laurson johtaa Tampereen yliopiston laskennallisen fysiikan laboratoriossa Complex Systems -tutkimusryhmää, jossa tutkitaan kompleksisten systeemien fysiikkaa. COPLAST-akatemiahankkeessa he tutkivat kiteisten aineiden muodonmuutosprosessin tilastollisia ominaisuuksia.

– Kehitämme lisäksi uusia, koneoppimiseen perustuvia menetelmiä, joilla voidaan ennustaa ja optimoida esimerkiksi metallin muodonmuutosta.

– Tulevaisuuden sovellusten lisäksi tutkimuksemme on tärkeää epätasapainosysteemien statistisen fysiikan perusteiden näkökulmasta. Sillä on siis myös puhtaasti tieteellistä vaikuttavuutta ilman välittömiä käytännön sovelluksia, Laurson lisää.

Materiaalit ovat enemmän kuin osiensa summia

Lasse Laurson on laskennallinen fyysikko, jonka työhön kuuluu ohjelmoida tietokoneella yksinkertaistettu malli tutkittavasta fysikaalisesta systeemistä ja sen käytöksen määräävistä luonnonlaeista. Tietokonesimulaatiosta hän saa tuloksia vastaavaan tapaan kuin kokeellinen fyysikko kokeista ja mittauksista laboratoriossa. Vaativimpiin simulaatioihin tarvitaan supertietokoneen tehot.

Laursonin tutkimuksen päätavoite on ymmärtää paremmin materiaalien monimutkaista kollektiivista käytöstä ja siihen liittyviä ilmiöitä. Suuresta määrästä vuorovaikuttavia osia koostuvan systeemin ominaisuudet syntyvät sen osasten kollektiivisesta käytöksestä.

– Teen tutkimusta ensisijaisesti uteliaisuudesta ja halusta ymmärtää, miten asiat toimivat. Vaikka kyse onkin perustutkimuksesta, tavoitteena toki on, että tutkimuksemme johtaisi lopulta myös käytännön sovellusten kannalta hyödyllisiin tuloksiin.

Kiteisten aineiden muodonmuutosprosessien lisäksi Laurson on viime aikoina keskittynyt mallintamaan ferromagneeteissa esiintyvien magneettisten rajapintojen dynamiikkaa sekä säröjen etenemistä epäjärjestyneissä kiinteissä aineissa.

Työssä parasta ovat hetket, jolloin palaset loksahtavat kohdalleen

Lasse Laurson nimitettiin maaliskuussa 2021 laskennallisen fysiikan professoriksi Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekuntaan. Lukiolaisena hiukkasfysiikasta kiinnostunut nuori mies ruokki aluksi innostustaan teoreettisen fysiikan opinnoilla Helsingin yliopistossa, josta valmistui maisteriksi vuonna 2004.

– Ollessani kesätöissä Teknillisessä korkeakoulussa huomasin vähitellen, että pidän enemmän lähempänä arkitodellisuutta olevista fysiikan ongelmista. Niinpä siirryin Teknilliseen korkeakouluun tekemään väitöskirjaa laskennallisen nanotieteen COMP-huippuyksikköön professori Mikko Alavan tutkimusryhmään, Laurson muistelee.

Kesätöissä Alavan ryhmässä tutuksi tullut statistisen fysiikan ja materiaalifysiikan rajapinnassa tehtävä tutkimus päätyi lopulta myös väitöskirjan aiheeksi.

Väitöksensä jälkeen vuonna 2008 Laurson vietti pari vuotta tutkijatohtorina Italian Torinossa professori Stefano Zapperin ryhmässä. Tampereen yliopistoon hän siirtyi syksyllä 2018 Aalto-yliopistosta, jossa oli Suomeen palattuaan työskennellyt Suomen Akatemian tutkijatohtorina ja akatemiatutkijana.

Suomen Fyysikkoseuran hallitukseen ja Scientific Reports -tiedelehden toimituskuntaan kuuluvan Lasse Laursonin työpäivät professorina koostuvat pääasiassa tutkimuksesta ja statistisen fysiikan opetuksesta.

– Työhöni kuuluu myös opiskelijoiden ohjaamista, tutkimusryhmän johtamista, sekä tutkimusrahoituksen hakemista. Parasta työssäni ovat ne hetket, jolloin löydämme jonkin mielenkiintoisten uuden tuloksen yhdessä kollegoiden ja opiskelijoiden kanssa – kun palaset ikään kuin loksahtavat kohdalleen, Laurson pohtii.

Suomen Akatemian rahoittama Akatemiahanke ”Kompleksisuus ja optimointi kiteisten aineiden plastisessa muodonmuutoksessa (COPLAST)” kestää vuoteen 2023 asti.

 

Teksti: Anna Aatinen

Ota yhteyttä

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset