Tutkimus

Venyvä lasi ei murru

lasi
Plastinen lasi voi painua kasaan ja venyä murtumatta. Uusi materiaali voi mullistaa käsityksemme lasin mahdollisuuksista.

Monikansallinen tutkimusryhmä on onnistunut luomaan lasia, jolla on metallin kaltaisia ominaisuuksia. Tämä plastinen lasi ei murru normaalin lasin tapaan, vaan se kykenee venymään ja painumaan kasaan. Tutkimus on julkaistu arvostetussa Science -lehdessä[EF1] .

– Tiedämme, että lasi on yleensä hauras materiaali, joka murtuu helposti paineen alla. Tässä tutkimuksessa löysimme keinon, jolla lasi käyttäytyy plastisesti. Toisin sanoen kehittämämme lasi on sitkeämpää kuin normaali lasi, Marie Curie Fellow -tutkija Erkka Frankberg toteaa.

Tutkijoiden käyttämällä valmistusmenetelmällä alumiinioksidi muutettiin lasimaiseen muotoon. Pulssitettu laserkasvatus (pulsed laser deposition) on kuitenkin teknologisesti haastava menetelmä.

– Alumiinioksidi on hyvin hankalaa saada lasimaiseen muotoon. Perinteinen lasinvalmistus ei toimi alumiinioksidissa, koska se haluaa olla kidemäisessä muodossa. Ratkaisu on, että se jäähdytetään hyvin, hyvin nopeasti korkeasta lämpötilasta, jolloin se ei ehdi kiteytyä, Frankberg kertoo.

Läpivalaisumikroskooppi
Ohuita lasikalvoja altistettiin fyysiselle rasitukselle.

Plastisen lasin valmistaminen on erittäin hankala prosessi. Frankbergin mukaan valmistustekniikan pitääkin kehittyä ennen kuin uudenlaista lasia voidaan valmistaa suuremmassa mittakaavassa.

– Alumiinia ja happea kyllä löytyy planeetalta runsaasti. Mutta haluttujen ominaisuuksien esiintuomiseksi täytyy käyttää hyvin eksoottisia valmistusmenetelmiä. Valmistustekniikan haasteena on myös luoda mahdollisimman puhdasta ja tasalaatuista materiaalia, Frankberg kertoo.

Jotta alumiinioksidi saadaan sitkeämpään muotoon, lasin täytyy olla hyvin tasalaatuista. Pienikin virhe valmistuksessa, kuten särö, ilmakupla tai epäpuhtaus, voi johtaa materiaalin murtumiseen.

Kun atomit kykenevät vaihtamaan paikkoja, materiaali ei murru

Perinteinen pääosin piioksidista koostuva ikkunalasi murtuu helposti, sillä lasin atomit eivät kykene liikkumaan paineen alla. Jos lasia taivuttaa, venyttää tai puristaa liian voimakkaasti, lasi murtuu. Perinteisen lasin atomit saadaan kyllä liikkumaan sujuvasti lasinvalmistuksessa, mutta tämä vaatii korkeaa lämpötilaa.

– Perinteisessä lasinvalmistuksessa materiaali lämmitetään hyvin kuumaksi. Kaikki ovat varmasti nähneet vaikka televisiossa lasinpuhaltajia, jotka käsittelevät hohtavan kuumaa lasia, Frankberg toteaa.

Pulssitettu laserkasvatus
Pulssitettu laserkasvatus on teknologisesti haastava menetelmä.

Tutkijoiden kehittämä lasin plastisuus syntyy kuitenkin huoneenlämmössä.

– Materiaalin atomit pystyvät siirtymään fyysisesti uusin paikkoihin, ennen kuin materiaali saavuttaa murtolujuuden. Perinteisessä lasissa murtolujuus saavutetaan ennen kuin atomit lähtevät liikkeelle, ja siksi lasi murtuu, Frankberg sanoo.

Mutta kyllähän mikä tahansa materiaali murtuu, jos jännite kasvaa aina vaan?

– Kyllä ja ei. Murtuvassa materiaalissa jännitys tosiaan kasvaa suoraviivaisesti, kunnes kappale murtuu.  Mutta  jos atomit lähtevät liikkeelle ennen murtolujuutta, jännitys ei enää kasva, vaan tasoittuu myötöjännitykseksi ja muodostuu jatkuva ilmiö, Frankberg sanoo.

Erkka Frankberg
Erkka Frankberg on johtanut tutkimuskonsortiota.

Seuraavaksi etsitään muita plastisia laseja

Lasista tehtiin ohuita kalvoja, joiden ominaisuuksia testattiin rasittamalla niitä mekaanisesti. Materiaalilla on metallin kaltaisia ominaisuuksia, mutta silti se on lasia.

– Näytteitä venytettiin ja puristettiin kasaan. Teimme yhdistettyjä puristus- ja leikkauskokeita ja osoitimme, että materiaali muokkautuu myös sivusuunnassa, Frankberg sanoo.

Pääkokeet suoritettiin elektronimikroskoopin sisälle rakennetulla koelaitteistolla Ranskan Lyonissa. Monikansallisessa tutkimuksessa oli mukana tutkijoita Suomen lisäksi Ranskasta, Italiasta, Itävallasta, Norjasta ja USA:sta.

– Tutkimuksen iso mallinnustyö tehtiin Tampereella. Atomitason mallinnuksessa hyödynnettiin Kajaanissa sijaitsevan Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) supertietokoneita Sisua ja Taitoa. Kokeellisessa tutkimuksessa taas hyödynnettiin Tampereen uuden mikroskopiakeskuksen (TMC) laitteistoja, tutkimuskonsortiota johtanut Frankberg toteaa.

Tutkimus on saanut kansallista hankerahoitusta Suomesta, Ranskasta ja Italiasta sekä kansainvälistä hankerahoitusta Euroopan Unionin H2020-tutkimusohjelmasta. Tutkimustyö on kuitenkin edelleen vasta alussa.

– Tämä on vasta alkua, osoitimme, että mekanismi toimii. Seuraavaksi lähdetään selvittämään, miksi jotkut lasit eivät käyttäydy tällä tavalla. Ikkunalasilla tällaista käyttäytymistä ei ole. Nyt alamme selvittää, mitkä muut lasit käyttäytyvät plastisesti, Frankberg toteaa.

Plastinen lasi
Plastinen lasi voi mullistaa käsityksemme lasin mahdollisuuksista.

Uusia käyttötapoja lasille

Plastisen lasimateriaalin kehitys voi tulevaisuudessa johtaa moniin uusiin innovaatioihin.

– Lasi on hyvin arkinen materiaali, mutta sen ominainen hauraus rajoittaa lasin käyttöä. Tällaisen tutkimuksen avulla voimme ehkä ajatella kokonaan uusia käyttökohteita lasille, Frankberg sanoo.

Aiempaa kestävämmälle lasille olisi toki tilausta myös nykypäivänä. Esimerkiksi älypuhelimissa sitkeämpi lasi ehkäisisi näyttöjen rikkoutumista.

– Voisit ehkä paiskoa puhelinta lattiaan miten haluat, eikä se menisi rikki. Älypuhelinten näyttö on käytännössä tavallista ikkunalasia, jonka lujuutta ja taipuisuutta on saatu parannettua, mutta lopulta se silti on vain ikkunalasia, jolla ei ole plastisuutta, Frankberg sanoo.

Innovaatioita voi myös löytyä täysin odottamattomista suunnista. Emme ehkä osaa edes ajatella kaikkia lasin mahdollisuuksia, koska olemme sisäistäneet lasiin perinteisesti liitetyn ajatuksen hauraudesta. Jos lasi olisi huomattavasti nykyistä kestävämpää, sitä voitaisiin käyttää kokonaan uusilla alueilla.

– Lasista tiedetään lopulta yllättävän vähän, tämä tutkimus lisää ymmärrystämme. Avaamme kokonaan uusia tutkimussuuntia, Frankberg kertoo.

Uuden plastisen lasin lujuus on moninkertainen teräkseen verrattuna. Lisäksi lasi on huomattavasti terästä kevyempää, mikä voi tulevaisuudessa avata uusia mahdollisuuksia esimerkiksi koneenrakennuksessa tai yleisemmin rakentamisessa. Useat lasin modernit käyttökohteet ovat piilossa niin sanotusti ”konepellin alla”, kuten elektroniikassa, uusiutuvan energian tuotannossa, avaruustekniikassa ja akkuteknologioissa. Nyt saavutettu plastisuus ja lujuus saattavat avata uusia näkökulmia laajaan teknologioiden skaalaan.

– Mutta tutkimus on hidasta. Kun nyt löysimme tämän lasin, sen tuottaminen teollisessa mittakaavassa vie vuosikymmeniä. Näin se hyvin usein materiaalitekniikassa menee. Mutta jos jokin materiaali on oikeasti hyödyllinen ihmiskunnalle, sitä käytetäänkin sitten tuhansia vuosia. Kuten lasia on käytetty, Frankberg sanoo.

 

Teksti: Jaakko Kinnunen
Kuvat: Jonne Renvall & Erkka Frankberg