Lasimaisen materiaalin atomirakenne selvitetty

16.09.2011

Lasien atomi- ja elektronirakenteesta ja niiden vaikutuksista lasinmuodostumisprosesseissa on saatu uutta tutkimustietoa. Kansainvälisen tutkijaryhmän tutkimus liittyy olennaisesti Maan vaipassa esiintyvän magman eli laavan ominaisuuksiin, mutta tutkituilla yhdisteillä voi olla myös teknologisia sovelluksia uuden sukupolven kevyissä ja tiheissä laseissa, keramiikassa ja sementeissä. Tutkimus on osa Suomen Akatemian ja Japan Science and Technology Agencyn rahoittamaa yhteistyöhanketta. Tutkimus on julkaistu uusimmassa Proceedings of the National Academy of Sciences USA -lehdessä. Tutkimuksessa on käytetty CSC:n resurssseja

Tutkimus paljastaa uusia atomitason rakenteen yksityiskohtia magnesiumia sisältäville laseille, enstatiitille ja forsteriitille, jotka ovat maankuoressa yleisimmin esiintyviä, piistä ja hapesta koostuvia silikaattiyhdisteitä. Tutkimusryhmän jäsen, akatemiatutkija Jaakko Akola Tampereen teknillisestä yliopistosta kertoo, että enstatiitti on hyvä lasinmuodostaja: se voi jähmettyä lasimaiseen olomuotoon helpommin kuin forsteriitti, koska atomit kytkeytyvät monipuolisemmin toisiinsa. 

”Saimme selville lasimaisen materiaalin atomirakenteen. Materiaalit ovat epäjärjestyneitä kuten nesteet, mutta kuitenkin kiinteitä, eikä niiden atomirakennetta voida suoraan mitata atomien epäjärjestyksestä johtuen, toisin kuin kidemäisillä aineilla. Pystyimme teorian ja kokeet yhdistämällä luomaan atomirakenteelle mallin, joka on sopusoinnussa kaiken kerätyn datan kanssa. Tutkimus osoittaa enstatiitin ja forsteriitin välillä merkittäviä eroja, joilla on vaikutuksia yhdisteiden lasinmuodostumisominaisuuksiin”, kertoo Akola, joka oli vastuussa tutkimuksen teoreettisesta osasta.

Uutta tietoa lasinmuodostumisen periaatteista

”Tutkimuksemme osoittaa, että materiaalista on helpompi muodostaa lasia, kun sen atomirakenteessa on enemmän kompleksisuutta, toisin sanoen topologista epäjärjestystä eli erilaisia ’rakennuspalikoita’. Tällöin materiaali ei jäähdytettäessä pääse romahtamaan kidemäiseen perustilaansa vaan jumittuu energeettisesti korkeampaan, lasimaiseen olomuotoon.”

Tutkijat käyttivät sekä kokeellisia että teoreettisia menetelmiä.  Forsteriittinäytteet tuotettiin leijuttamalla pientä määrää materiaalia aerodynaamisella levitointitekniikalla ja kuumentamalla sitä laserilla sulamislämpötilan yläpuolella.

”Materiaalin leijuttaminen oli tärkeää, sillä astiassa sulatetut näytteet olisivat jäähdytettäessä kiteytyneet seinämien vaikutuksessa. Tuloksena saatiin halkaisijaltaan muutaman millimetrin kokoisia kirkkaita amorfisia helmiä, joille suoritettiin röntgen- ja neutronidiffraktiomittauksia. Lisäksi materiaaleille suoritettiin raskaita atomi- ja elektronirakenteen simulaatioita Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n ja Saksan valtion tutkimuskeskuksen supertietokoneilla.”

”Alkuperäinen yhteistyöni japanilaisten kanssa puolijohdemateriaalien tutkimuksessa johti uuteen tutkimusprojektiin lasien parissa. Saimme uusia yhteistyökumppaneita myös Yhdysvalloista ja Isosta-Britanniasta”, Akola kertoo.

Lisätietoja:
Akatemiatutkija Jaakko Akola
Tampereen teknillinen yliopisto
Fysiikan laitos
jaakko.akola(at)tut.fi

S. Kohara, J. Akola, H. Morita, K. Suzuya, J. K. R. Weber, M. C. Wilding, and C. J. Benmore,  Relationship between topological order and glass forming ability in densely packed enstatite and forsterite composition glasses, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (Vol.), 14780-14785 (2011).

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.