Tartu Ülikooli füüsika instituudi madalate temperatuuride labori teadurdoktorant Kristjan Saal uurib koos kolleegidega selle väga võimsa, ligi miljon krooni maksva mikroskoobiga erinevate materjalide pindu nanotasemel. Mikroskoobi võimest näha nanomaailma saab aimu, kui kujutate ette näiteks juuksekarva. Mikroskoobi maksimumsuurenduse korral saaksime juuksekarva läbimõõduks 25 kilomeetrit ehk Tartu–Elva vahemaa. Foto: Margus Ansu

Samal teemal: Õlekõrs võib viia Maalt Kuule (1)

Selles silmale nähtamatus nanomaailmas on viimasel kümnel aastal töötanud ka Tartu Ülikooli füüsika instituudi teadlased. Võhik küsib: miks on tarvis ringi kolada nähtamatus ja raskelt hoomatavas alas, kui tööd jätkuks veel paljude silmale nähtavate asjade uurimisel?

Suur algab väiksest

«Teaduses on tähtsaim iga asja tunnetuslik pool,» vastas Tartu Ülikooli füüsika instituudi madalate temperatuuride labori juhataja Ants Lõhmus. «Teadus otsib põhjusi, miks mingi protsess toimub. Ja selleks tulebki minna iga asja väikseimale ehk nanotasemele.»

Mis tähendab, et suured asjad saavad alguse väikesest. «Näiteks uurivad füüsikud, millal tekib vibratsiooni käes olevasse lennukitiiba ohtlik pragu,» selgitas Ants Lõhmus. «Suur pragu saab alguse nanodefektist. Meie uurime, miks ja kuidas tekivad nanodefektid.»

Ta lisas, et nanotasemel protsesside põhjusteni jõudmine on ülioluline, sest mikro- või makrotasemel defekt võib näiteks lennukitiivale ja reisijatele juba saatuslik olla.

Kuid nanotasand ei aita vaid protsesside põhjusteni jõuda. Paar viimast aastat on füüsika instituudi teadlased koos Tallinna Tehnikaülikooli ja välismaiste kolleegidega nanotasemel töötades olnud ametis ka mõningate nanostruktuursete materjalide uurimisel.

«Sellel keerulise nimega asjal ehk nanostruktuursel materjalil on tegelikult üsna lihtne sisu,» selgitas Tartu Ülikooli füüsika instituudi madalate temperatuuride labori erakorraline vanemteadur Rünno Lõhmus. «Kui mingil materjalil, näiteks alumiiniumil, paigutada nanotasemel ümber

aine tavapärane ehitus, omandab materjal selle tavastruktuuril puuduvad omadused.»

Näiteks füüsika instituudi teadlaste ja nende kolleegide töö tulemusel saadud nanostruktuurne vask on tavavasest kaks korda tugevam ega ole sama voolav ja elastne kui tavaline.

Mõistuse ja jõuga

Kuidas nanostruktuurset vaske tehakse? Vaja on sõrmest pisut jämedamat L-tähe kujulist vormi ja sõrmejämedust vaskpulka. Viimast hakatakse vormist läbi ajama. Loomulikult tekib vormi teravas nurgas tõke – vask ei voola sealt ju vedelikuna läbi, vaid takerdub.

Et vaskpulk vormist siiski läbi pressida, kasutatakse suurt, ligi paarikümnetonnist jõudu. Nii suure jõu survel hakkavad vase osakesed nanotasemel ümber paigutuma. Et aine omadusi põhjalikult muuta, korratakse seda protseduuri kümmekond korda.

«Piltlikult öeldes väntsutame nõnda talitades vase kõik kihid üdini läbi,» rääkis Rünno Lõhmus. «Lõpuks pole selles vaskpunnis enam osakest, mis oma kohale jääks. Nõnda saabki see tavamaterjalist erinevad omadused.»

Materjali struktuurimuutusi saab ka reaalajas näha. Selleks on füüsika instituudis loodud seade, mis võimaldab elektronmikroskoobis jälgida, kuidas osakesed nanokaugustel ümber paiknevad, ja mõõta, millised nanojõud seal mängus on.

Ka nanoliikumise ja paigalseisu hõõrde uurimine annab siinjuures omajagu teavet.

Need uuringud on osa üle-euroopalisest teadusprogrammist «Nanotriboloogia» (triboloogia on hõõrdumisteadus), mille raames neid töid Tartus tehakse.

Mis valdkondades nanostruktuurset vaske pikisilmi oodatakse? «Nanostruktuurset vaske või alumiiniumi võiks kasutada näiteks lennukitööstuses,» vastas Rünno Lõhmus. «Et nanostruktuursed vask ja alumiinium on tavalisest kaks korda tugevamad, kuluks neid kaks korda vähem.»

Esialgu aga nanostruktuurne vask veel praktikas palju rakendust ei leia. Esmalt sellepärast, et teadlastel tuleb välja uurida, kuidas see materjal erinevates tingimustes käitub ehk millistes piirides nanostruktuurse materjali head omadused säilivad.

Praegu on teada, et 400-kraadises kuumuses hakkab nanostruktuursel vasel taastuma esialgne ehitus.

Tee kodus järele

Kes tunneb, et nanotasemel tegutsevate füüsikute töö on sama keeruline nagu füüsikaõpik, võib nähtamatut nanomaailma oma käega katsuda ja teha ise nanostruktuurset materjali.

Selleks on vaja näiteks šampanjapudeli traati ja pisut pusimist. Traati sõrmede vahel painutades tunnete, kuidas see enne murdumist muutub näppude vahel üha jäigemaks. Mis tähendab, et traati väntsutades paigutate selle osakesi ümber ehk muudate nanotasemel aine omadusi.

Kuidas hoomata nanomaailma?

• Teatmeteos annab otsa kätte: mõõtühikute nimetustes kasutatav eesliide nano (n) tuleb kreeka keeles kääbust tähendavast sõnast nannos ja näitab, et ühik on põhiühikust 109 korda väiksem. Näiteks 1 nm (nanomeeter) = 10–9.

• Kuidas nii väikseid ehk nanomõõdus suurusi ette kujutada? Näiteks kui aatom oleks õuna suurune, siis õun oleks vastavalt maakera suurune.

Allikas: Tartu Postimees

Kas soovitad lugu teistele lugejatele?

Hinne: 5