Uusi, luja ja kevyt, helmiäistä jäljittelevä materiaali soveltuu suuriin tuotantoprosesseihin
22.03.2010
Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen molekyylimateriaalien tutkimusryhmässä yhteistyössä VTT:n ja Tukholman Kungliga Tekniska Högskolanin tutkijoiden kanssa on onnistuttu ensimmäisenä valmistamaan teolliseen tuotantoon sopiva kevyt, mutta mekaanisesti luja helmiäistä jäljittelevä nanokomposiittimateriaali.
Materiaalin uskotaan mahdollistavan uusia sovelluksia esimerkiksi telekommunikaatiossa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja liikennevälineissä.
Simpukka on kiehtonut materiaalitieteilijöitä jo pitkään, sillä sen kuoren sisäpinnan helmiäinen on mekaanisesti lujaa mutta kevyttä. Uusi materiaali koostuu helmiäisen tavoin vuorottelevista epäorgaaninista liuskeista, jotka liimautuvat yhteen polymeerillä ja järjestäytyvät spontaanisti lujaksi rakenteeksi. Uusi, materiaalien spontaaniin itsejärjestäytymiseen perustuva konsepti mahdollistaa materiaalien laajan, helpon ja edullisen tuotannon esimerkiksi paperikonetekniikoilla, maalaamalla ja levittämällä.
Molekyylimateriaalien tutkimusryhmä tri Andreas Waltherin ja akatemiaprofessori Olli Ikkalan johdolla sovelsi materiaalien ns. itsejärjestäytymistä nanokomposiittimateriaalin kehittämisessä.
– Olemme tutkineet materiaalien itsejärjestäymistä jo pitkään. Itsejärjestäytymisessä rakenneyksiköihin on ikään kuin koodattuna, miten järjestyä. Hyvä esimerkki on proteiinit, jotka löytävät oman paikkansa ja rakenteensa automaattisesti, kertovat Andreas Walther ja Olli Ikkala.
Erilaisia nanokomposiitteja on tutkittu maailmalla laajasti, mutta aiemmissa yrityksissä materiaalien ominaisuudet ovat jääneet kauaksi toivotuista tai materiaalit eivät ole soveltuneet suuriin tuotantoprosesseihin.
Lujalla ja kevyellä rakenteella monia käytännön sovelluksia
Uusi materiaali on herättänyt laajaa kiinnostusta, sillä ominaisuuksiltaan sen uskotaan sopivan moniin tärkeisiin käytännön sovelluksiin. Uusi materiaali on kevyt, jäykkä (moduuli on 45 GPa) ja luja (murtolujuus 250 MPa). Lisäksi se estää kaasujen läpäisyn ja sen lämmönkestävyys on erittäin hyvä. Materiaalia kehitettiin aluksi Suomen Akatemian rahoituksella ja jatkokehitetys tapahtuu yhdessä UPM:n kanssa, joka on myös jättänyt patenttihakemuksen tuoteperheelle.
– Uskomme, että materiaali voi sopia esimerkiksi puhelimien ja kannettavien tietokoneiden kuorimateriaaliksi tai kehitteillä olevien rullattavien näyttöjen mekaaniseksi suojakerrokseksi, kertovat Walther ja Ikkala.
Myöhemmin, kun materiaalin ominaisuuksia ja prosessointia edelleen kehitetään, materiaalia voitaneen hyödyntää liikennevälineiden rakenteissa. Sovellukset liittyvät muun muassa ilmailu- ja avaruusteollisuuteen, mutta myös laajasti liikenteen rakenneratkaisuihin. Kevyillä mutta lujilla materiaaleilla voidaan vähentää liikenteen energiankulutusta. Materiaali voi toimia myös lämpökilpenä kuumuutta vastaan, mikä voisi olla oleellista avaruusteollisuudessa.
Parhaimmat rakenteet löytyvät luonnosta
Uusi materiaali on erinomainen esimerkki biomimetiikasta, jossa jäljitellään luonnossa esiintyviä materiaalirakenteita.
– Materiaalitutkijat oppivat paljon luonnon ihmeellisistä rakenteista. Luonnossa materiaalit ovat muovautuneet miljardien vuosien ajan ja evoluutiossa vain parhaimmat ovat säilyneet. Hyviä esimerkkejä erittäin lujista, mutta kevyistä rakenteista ovat simpukan lisäksi muun muassa silkki, hampaat, luut ja sarvet, kertovat Walther ja Ikkala.
Tulos on julkaistu lehdessä Nano Letters (DOI: 10.1021/nl1003224)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl1003224
ja se on kiinnittänyt laajaa kansainvälistä huomiota,
esim http://www.technologyreview.com/computing/24828/page1/.
Lisätietoja
tri Andreas Walther
Andreas.Walther [at] tkk [dot] fi, 050 5113192
akatemiaprofessori Olli Ikkala
Olli.Ikkala [at] tkk [dot] fi, 050 4100454
Teknillisen fysiikan laitos, Molekyylimateriaalit
