Entä jos keraamimateriaalia voisi muovata sen murtumatta?
Plastisten eli joustavien keraamien valmistaminen ei ole helppoa. Luonnossa keraamien plastisuutta havaitaan harvoin ja tyypillisesti se vaatii erityisolosuhteita, kuten äärimmäisen korkean lämpötilan, ollakseen mahdollista. Siksi arkikokemuksen mukaan keraaminen kahvimukisi ei lommoudu, vaan murtuu palasiksi, jos pudotat sen kovalle lattialle.
Science-lehden artikkelissaan Akatemian tutkijatohtori Erkka J. Frankberg, keraamimateriaalien plastisuuden asiantuntija Tampereen yliopistosta, kommentoi keraamien plastisuuteen liittyviä uusimpia löydöksiä (J. Zhang et al. Science 378, 371, 2022), jotka julkaistaan lehden samassa numerossa. Artikkelissaan Frankberg maalaa laajemman kuvan mahdollisista eduista, joita muovautuvilla keraamimateriaaleilla voisi olla. Hän pohtii myös vaikutuksia, joita joustavalla keraamimateriaalilla olisi kaupallisessa käytössä. Käynnistäisivätkö ne uuden kivikauden materiaalien historiassa?
Miksi olisi tärkeää löytää keraamimateriaali, joka ei murru huoneenlämmössä? Vastaus juontuu atomeista ja niiden välisistä sidoksista. Keraamisten aineiden atomien välillä on ionisia- tai kovalenttisia sidoksia, jotka eroavat merkittävästi metallien atomisidoksista erityisesti siten, että ioniset ja kovalenttiset atomisidokset ovat tuntemistamme sidoksista vahvimpia. Teoriassa keraamien pitäisi siis olla tuntemistamme materiaaleista vahvimpia. Asialla on kuitenkin kääntöpuolensa.
– Kun sidokset ovat vahvoja, ne samalla estävät atomien liikkumisen materiaalin sisällä, ja juuri tätä liikettä tarvitaan plastisuuden, eli materiaalin muodon pysyvän muutoksen aikaansaamiseksi. Ilman plastisuutta keraamit valitettavasti murtuvat selvästi alle niiden teoreettisen lujuuden ja käytännössä keraamimateriaaleilla on usein pienempi murtolujuus kuin monilla koneenrakennuksessa yleisesti käytetyillä metalleilla, Frankberg taustoittaa.
Osoituksena sitkeiden keraamimateriaalien suuresta potentiaalista Zhang ja kumppanit osoittavat, että jos piinitridistä (Si3N4), yleisesti koneenrakennuksessa käytetty keraamisesta materiaalista, saadaan plastista, sen murtolujuus voi olla huimat ~ 11 gigapascalia. Piinitridi olisi tällöin noin 10 kertaa vahvempaa kuin yleiset suurlujuusteräkset!
Mitä hyötyjä ultravahva ja joustava keramiikka voisi tuoda?
– Rakenteiden suurempi lujuus tarkoittaa sitä, että kaikkien liikkuvien koneiden kuten ajoneuvojen, paperikoneiden tai robottien rakentamiseen tarvitaan vastaavasti vähemmän materiaalia. Vähemmän materiaalia tarkoittaa liikkuvien koneiden pienempää energiankulutusta ja parempaa tehokkuutta. Samalla keraamien korkeampi kulutus- ja korroosionkestävyys mahdollistaisi paremman käyttöasteen, ja siten taloudellisia etuja, Erkka J. Frankberg visioi.
Ihmiskunnalla on jatkuva tarve löytää yhä vahvempia teknisiä materiaaleja, koska niiden avulla voitaisiin parantaa laajasti yhteiskunnan materiaali- ja energiatehokkuutta.
– Metallien pehmeämmän sidoksen vuoksi on olemassa raja sille, kuinka vahvoja materiaaleja voimme niistä saada aikaan. Muovautuvien keraamimateriaalien avulla lujuudessa päästäisiin aivan uudelle tasolle, Frankberg toteaa.
Vaikka Zhangin työryhmän tulokset ovat näyttävä demonstraatio muovautuvan keramiikan potentiaalista, on tulokset saatu toistaiseksi aikaan vain nanomittakaavassa, kuten useimmat samankaltaiset alan tulokset. Edessä on vielä pitkä ja mutkainen tie kohti unelmaa muovautuvista keraamimateriaaleista. Olennaista on, että tulokset toistetaan suuremmassa kokoluokassa.
– Silti jokainen uusi löydös muovautuvuuden mekanismista pitää meidät kiinni unelmassa siitä, että muovautuvat keraamimateriaalit voisivat olla tulevaisuudessa mahdollisia, hän lisää.
Artikkeli A ceramic that bends instead of shattering on luettavissa rekisteröityneille käyttäjille Science-julkaisussa.
Lisätiedot
Erkka Frankberg
erkka.frankberg [at] tuni.fi
046 921 9827
