Mullistava löydös: lasi voi olla lujempaa kuin teräs – suomalaisvetoisen tutkijaryhmän tulos julkaistiin Science-lehdessä

Kansainvälisen tutkijaryhmä on onnistunut luomaan lasia, joka painuu kasaan ja venyy murtumatta huoneenlämmössä.

tiede
 Erkka Frankberg pitää kädessään plastista lasia
Monikansallista tutkimusryhmää johtava Erkka Frankberg pitää kädessään alumiinioksidilasia. 32-vuotias tutkijatohtori toivoo ehtivänsä nähdä venyvän lasin arkisessa käytössä vielä elinaikanaan.Kirsi Matson-Mäkelä / Yle

Miksi lasi on niin haurasta? Mitä jos lasi ei menisikään kovasta iskusta säröille vaan siihen tulisi korkeintaan pieni lommo niin kuin metalliin?

Näihin kysymyksiin etsii vastauksia tutkijatohtori Erkka Frankberg, joka sanoo olevansa ennen kaikkea ongelmanratkaisija. Frankbergin johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on onnistunut tekemään lasia, joka voi venyä ja painua kasaan huoneenlämpöisenä menemättä rikki.

Aikaisemmin ei ole kyetty osoittamaan, että lasi voi käyttäytyä metallin tavoin. Tutkijoiden havainto lasin venyvyydestä on sen verran mullistava, että tulos on julkaistu arvostetussa Science-tiedelehdessä (siirryt toiseen palveluun).

Alumiinioksidista valmistettu lasi on tavallista lasia kymmeniä kertoja lujempaa ja vielä terästäkin monin verroin lujempaa. Materiaalin raaka-aineita on planeetallamme runsaasti ja käyttömahdollisuuksia rajattomasti.

Tutkimus on kuitenkin vasta alussa.

– Me olemme avanneet pelin. Toivottavasti muut tutkijat kiinnostuvat ja alkavat tutkia aihetta, Frankberg sanoo.

Lasi on materiaalina tuttu, mutta silti tuntematon

Ikkunoita, astioita, kännykän näyttöjä, pulloja, peilipintoja – siihen nähden, miten oleellinen materiaali lasi on arjessamme, siitä tiedetään yllättävän vähän.

– Se on materiaaleista ehkä se vähiten tunnettu, sanoo parhaillaan Milanossa Istituto Italiano di Tecnologiassa työskentelevä Frankberg.

Hän on tehnyt sitkeästi perustutkimusta lasin kimpussa jo useiden vuosien ajan. Uteliaisuus on tärkein motiivi.

– Sitä aina toivoo, että tapahtuisi jotakin odottamatonta. Usein niin ei tapahdu, mutta me löysimme jotakin todella mielenkiintoista.

Erkka Frankbergin omakuva heijastuu venyvästä lasista
Alumiinioksidilasin valmistustekniikka on varsin hankala ja vielä kokeellisella asteella. Nyt kyetään valmistamaan vasta paljon hiusta ohuempia kalvoja, jotka tässä näytteessä on kiinnitetty paksumman alustan päälle.Kirsi Matson-Mäkelä / Yle

Frankberg muistaa elävästi hetken, kun hän näki läpivalaisuelektronimikroskoopin näytöltä ensimmäistä kertaa lasin venyvän.

– Atomit kykenevät liikkumaan lasin sisällä. Siitä se venyminen syntyy.

Perinteinen ikkunalasi koostuu pääosin piioksidista. Se murtuu helposti, koska materiaalin atomit eivät kykene liikkumaan paineen alla. Tai toki atomit liikkuvat lasia valmistettaessa kovassa kuumuudessa, mutta eivät enää huoneenlämmössä. Alumiinioksidissa liikettä tapahtuu ja siksi materiaali on paljon tavallista lasia sitkeämpää.

Mutta eikö mikä tahansa materiaali murru lopulta, jos jännite vain kasvaa kasvamistaan?

– Kyllä ja ei.

Kun atomit lähtevät liikkeelle materiaalissa ennen murtolujuutta, jännitys ei enää kasva, vaan tasoittuu, Frankberg selittää.

Tarvitaan vielä muitakin läpimurtoja

Tutkijat valmistivat venyvää lasia alumiinioksidista laserin avulla. Menetelmä on hankala. Valmistus vaatii, että tuhansia asteita kuuma materiaali jäähdytetään erittäin nopeasti. Käytetty tekniikka ei ole täysin uutta, mutta vielä varsin kokeellisella asteella.

Toistaiseksi kyetään tekemään vain hiusta paljon ohuempia kalvoja.

– Lasin venymisen ehto on, että se on hyvin tasalaatuista ja virheetöntä. Kun me kasvatamme lasin paksuutta, on paljon todennäköisempää, että aiheutamme jonkin virheen valmistuksen aikana.

Alumiinioksidilasin valmistusta laserilla
Alumiinioksidista valmistettiin lasia tutkimusta varten Milanossa. Pulssitetussa laserkasvatuksessa voimakas lasersäde hajottaa kiteisen alumiinioksidin (vasemmalla) plasmaksi, joka näkyy kirkkaana violettina valona. Plasma jäähtyy nopeasti iskeytyessään alustaan (oikealla). Näin syntyy lasimaista alumiinioksidia.Erkka Frankberg

Frankbergin mukaan tarvitaan läpimurto myös valmistustekniikassa, ennen kuin pääsemme hyödyntämään uuden materiaalin ominaisuuksia teollisesti. Lisäksi materiaalin pitää vielä osoittautua toimivaksi ja hyödylliseksi ihmisille.

Ongelmanratkaisijaksi itseään kutsuva Frankberg keksii kuitenkin jo monia mahdollisia käyttötarkoituksia venyvälle lasille.

Italiassa tutkitaan parhaillaan, voitaisiinko alumiinioksidilasia käyttää ydinvoimaloissa suojamateriaalina. Näin voitaisiin estää esimerkiksi Fukushiman kaltaiset onnettomuudet.

Jos kännykän näyttö olisi kestävämpää lasia, monen arki helpottuisi. Uutta materiaalia voisi hyödyntää myös esimerkiksi avaruudessa.

– Tätä voisi käyttää avaruudessa aurinkopaneelien suojamateriaalina, jolloin ne kestäisivät pienten meteoroidien iskut.

Plastiselle lasille voi tulevaisuudessa löytyä monia käyttökohteita, joita emme nyt osaa edes ajatella. Keksintöjä voi syntyä esimerkiksi koneenrakentamisessa, akkuteknologioissa tai uusiutuvan energian tuotannossa.

Koska venyvä lasi on arkipäivää?

Urjalassa syntynyt ja Tampereella väitellyt Erkka Frankberg ei tee Pelle Pelottoman työtään yksin. Science-lehden artikkelia on ollut kirjoittamassa kaksikymmentä tutkijaa Suomesta, Ranskasta, Italiasta, Itävallasta, Norjasta ja Yhdysvalloista. Heidän lisäkseen on tarvittu kymmenien muidenkin ihmisten apua. Suomessa työtä on tehty erityisesti Tampereen yliopistolla.

Materiaalin tutkiminen on varsin kallista ja hidasta, joten rahoittajiakin on lukuisia. Ja lisää tarvitaan, niin työtä kuin rahaa. Löydökset siirtyvät valmistukseen yleensä kymmenien vuosien aikajänteellä.

– Tässä on vielä monta mutkaa matkassa.

Frankberg palaa Milanosta Tampereelle ensi keväänä. Kansainvälinen ryhmä aikoo jatkaa työtään ja selvittää, mitkä muut lasimateriaalit voisivat käyttäytyä metallin tavoin. Ja se tärkein kysymys, miksi, on yhä täydellistä vastausta vailla.

– Mistä johtuu, että juuri tämä lasi voi olla plastista. Meiltä puuttuu vielä täydellinen ymmärrys mekanismin synnystä. Sitä lähdemme metsästämään seuraavaksi.

32-vuotias Frankberg toivoo, että ehtii nähdä venyvän lasin arkisessa käytössä vielä elinaikanaan.

– Aion työskennellä sen eteen. Toivotaan. Se on tavoitteena.

Aikaisemmin ei ole kyetty osoittamaan, että lasi voi käyttäytyä metallin tavoin. Erkka Frankbergia haastatteli toimittaja Kirsi Matson-Mäkelä.