Kansainvälinen tutkimusryhmä onnistui luomaan plastista lasia, joka ei murru normaalin lasin tapaan, vaan se kykenee venymään ja painumaan kasaan. Tässä kokeellisia ja laskennallisia menetelmiä yhdistäneessä ryhmässä oli tutkijoita Tampereen yliopistosta, Ranskasta, Italiasta, Itävallasta, Norjasta ja USA:sta. Tutkimus julkaistiin eilen erittäin arvostetussa Science‐lehdessä.

Atomien ryömimisilmiö selittää plastisuuden

Tutkijat valmistivat plastista lasia alumiinioksidista (Al₂O₃), joka on tunnettu lasimateriaali ja erittäin yleinen mineraali maankuoressa. Simuloinneissaan tutkijat havaitsivat, että atomien liikkuminen, atomitason ryömimisilmiö, selittää lasin venymisen murtumatta.

– Simuloimme mallirakenteen venytys-, puristus-, ja leikkauskokeita kymmenien tuhansien atomien kokoisille systeemeille nanosekuntien aikaskaalassa. Näiden atomitason simulaatioiden perusteella analysoimme systeemin jännitystä ja kimmoisuutta sekä seurasimme materiaalissa tapahtuvia atomien liikkeitä. Simulaatioiden kautta havaitsimme, että tämän lasimateriaalin plastisuuden selittää atomitason ryömimisilmiö, jossa atomit vaihtavat sidoksiaan jatkuvasti sopeutuessaan ulkoisiin jännitteisiin, Jaakko Akola kertoo.

Mallinnus tehtiin Tampereen yliopiston materiaaliopin ja laskennallisen fysiikan tutkimusryhmien yhteistyönä. Tutkijat käyttivät mallinnuksessaan klassista molekyylidynamiikkaa, LAMPPS-ohjelmistoa sekä CSC:n supertietokoneita Sisua ja Taitoa. Simuloinnit teki Janne Kalikka ja simulointien suunnitteluun osallistuivat professori Jaakko Akola ja projektin koordinaattori Erkka Frankberg. Akola työskentelee professorina TaY:n lisäksi myös Norjan teknis-luonnontieteellisessä yliopistossa (NTNU) Trondheimissa ja Franberg työskentelee myös Istituto Italiano di Tecnologiassa.

Pääkokeet suoritettiin elektronimikroskoopin sisälle rakennetulla koelaitteistolla Ranskan Lyonissa ja tutkimuksessa hyödynnettiin myös Tampereen uuden mikroskopiakeskuksen (TMC) laitteistoja.  

Yhden simuloinnin alku- ja loppurakenteet. Simuloinnissa puristettiin amorfista Al₂O₃-rakennetta yhdestä suunnasta puoleen alkuperäisestä pituudesta. Kuvassa alumiini on piirretty harmailla palloilla ja happi punaisilla. Kuva: Janne Kalikka, Tampereen yliopisto.

Venyvän lasin valmistus on vaikeaa

Perinteinen pääosin piioksidista koostuva ikkunalasi murtuu helposti, sillä lasin atomit eivät kykene liikkumaan paineen alla ennen murtumista. Perinteisen lasin atomit saadaan kyllä liikkumaan sujuvasti lasinvalmistuksessa, mutta tämä vaatii korkeaa lämpötilaa. Tutkijoiden kehittämä lasi on plastista myös huoneenlämmössä.

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

Tutkijat käyttivät pulssitettua laserkasvatusta (pulsed laser deposition) alumiinioksidin muuttamiseen lasimaiseen muotoon. Plastisen lasin valmistaminen on erittäin hankala prosessi. Frankbergin mukaan valmistustekniikan pitääkin kehittyä ennen kuin uudenlaista lasia voidaan valmistaa suuremmassa mittakaavassa.

Monia mahdollisuuksia

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

Plastisen lasimateriaalin kehitys voi tulevaisuudessa johtaa moniin uusiin innovaatioihin. Esimerkiksi älypuhelimissa sitkeämpi lasi ehkäisisi näyttöjen rikkoutumista.

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.

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, todetaan Tampereen yliopiston tiedotteessa.

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.

Lähteenä on käytetty Tampereen yliopiston tiedotetta.

Erkka Frankberg, Janne Kalikka  et al.: Highly ductile amorphous oxide at room temperature and high strain rate
Science  15 Nov 2019: Vol. 366, Issue 6467, pp. 864-869