Fiksusti käyttäytyvät aineet osaavat muuntua tilanteiden mukaan.

TEKSTI:Risto Varteva


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Fiksusti käyttäytyvät aineet osaavat muuntua tilanteiden mukaan.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

5/2001


 


Tosimies ei pienistä haavoista välitä, eivätkä varmaan naisetkaan: verenvuoto tyrehtyy hetkessä itsestään ja naarmut paranevat nopsaan jälkiä jättämättä. Olisi tietysti kivaa, jos muutkin materiaalit olisivat ihmisen kudosten tavalla "eläviä", niin että ne voisivat korjautua itsestään.

Silmin näkymättömät hiushalkeamat ovat aina kauhistuttaneet insinöörejä. Tällainen halkeama syntyy yleensä toistuvasta rasituksesta, kun esimerkiksi metalli joutuu vääntyilemään edestakaisin. Toistuva rasitus saa joissakin kohdissa atomit höllentämään otetta toisistaan, ja materiaali alkata heikentyä.

Ennen pitkää hiushalkeamasta kuitenkin voi räpsähtää kunnon repeämä, jolloin seuraukset saattavat olla kauhistuttavia. Varttunut polvi varmaan muistaa vielä maailman ensimmäisen suihkumatkustajakoneen, englantilaisen Cometin hajoamisen vuonna 1953 kesken lennon. Onnettomuuksia sattui kaiken kukkuraksi seuraavana vuonna kaksi lisää.

Turmat pysyivät pitkään etusivun uutisena, koska niihin tuntui liittyvän jotain mystiikkaa. Lopulta syy kuitenkin selvisi: lentokoneiden jäännöksistä voitiin päätellä, että runko oli murtunut, koska siihen oli tullut liikaa hiuksenhienoja halkeamia. Ilmiötä kutsutaan metallin väsymiseksi.

Muovi korjaa itsensä

Itse itsensä paikkaava materiaali olisi insinöörin unelma. Eräillä muoveilla tämä haave on jo toteutettu, kertoo englantilaisessa Nature-tiedelehdessä helmikuussa julkaistu raportti.

Illinoisin yliopiston kemistit, mekaniikan tutkijat ja lentokoneinsinöörit kehittivät yhdessä materiaalin, joka muistuttaa elävää kudosta siinä, että pienet säröt ja naarmut menevät umpeen itsestään.

Menetelmän ydin on siinä, että vaikka muovi rakentuu pitkistä molekyyleistä, muovimolekyylien yksittäiset rakenneosat, monomeerit, ovat varsin yksinkertaisia. Monomeerien ketjuuntumista kutsutaan polymeroitumiseksi: polymeerissä on sananmukaisesti monta monomeeriä peräkkäin.

Kun muoviin tulee halkeama, syntynyt rako pitää täyttää uudella muovilla. Miten tämä onnistuu - emmehän me edes näe halkeamaa?

Ongelma ratkaistiin siten, että muoviin sekoitettiin alun alkaen pieniä palleroita, joiden sisällä on monomeeriä, ei siis valmista muovia. Palleroiden läpimitta on noin 0,1 millimetriä.

Kun muoviin esimerkiksi taivutettaessa syntyy niin suuri jännitys, että sen rakenne alkaa revetä, samalla repeävät myös monomeeripallerot. Niistä pursuaa molekyylejä, jotka muoviin lisätty katalysaattori saa takertumaan toisiinsa - ja halkeamaan syntyy uutta muovia.

- Olisi tietysti houkuttelevaa sanoa, että äkkäsin idean kerran aamun sarastaessa, ponkaisin sängystä ja hihkaisin heureka, kertoi Illinoisin yliopiston tutkijaryhmän vetäjä Scott White Washington Post -lehdelle. - Ei se kuitenkaan niin käynyt. Todellisuudessa me tarkastelimme ongelmaa eri kanteilta ja etenimme sitten vähin erin kohti ratkaisua.

Itsekorjautuvaa muovia voitaisiin käyttää esimerkiksi proteeseissa, avaruusaluksissa ja vaikkapa matkapuhelimissa, joissa pieniin halkeamiin kertyvä lika saattaa aiheuttaa oikosulkuja.

Maali säätää lämpötilaa

Shanghaissa sijaitsevan Tongji-yliopiston tutkija Yiping Ma on kehittänyt ulkomaalin, joka osallistuu talon lämmitykseen, kertoi New Scientist -lehti huhtikuussa. Kyse ei ollut aprillipäivän numerosta.

Man kehittämä ihmemaali imee auringonvaloa ja sen takia lämpenee, kun ulkoilman lämpötila on alle 20 astetta. Ilmojen lämmetessä maali alkaa heijastaa auringonvaloa entistä enemmän, ja seinä lämpenee vähemmän kuin viileinä päivinä.

Heijastumisen määrä säätyy siten, että maali muuttaa väriään lämpötilan mukaan. Tämä saadaan aikaan laktoni-nimisellä orgaanisella yhdisteellä, jonka väri vaihtuu varsin suppealla lämpötila-alueella punaiseksi, vihreäksi tai siniseksi.

Maalin viimeistely on vielä kesken, mutta Ma arvelee, että maalaus voisi säilyä talon seinässä neljä vuotta. Sen jälkeen talo pitää maalata uudelleen.

Turvamaalia siltoihin

Newcastlen yliopistossa tutkitaan sellaista älymaalia, joka paljastaa ajoissa, onko silta vaarassa romahtaa. Maalissa on erästä lyijyn, titaanin ja zirkoniumin muodostamaa yhdistettä, jonka kiteisiin syntyy sähköjännite, kun kidettä puristetaan tai venytetään.

Ilmiö on tunnettu jo kauan; sitä kutsutaan pietsosähköisyydeksi. Sitä on käytetty hyväksi muun muassa kaasulieden tai nestekaasujääkaapin sytyttimessä. Pietsosähköisen kiteen äkillinen puristaminen saa aikaan sähkökipinän, joka puolestaan sytyttää kaasun.

Kun uuteen älymaaliin sekoitetaan lisäksi aineita, jotka saavat sen johtamaan sähköä, sillan muodonmuutoksia voidaan tarkkailla yksinkertaisesti seuraamalla maalissa kulkevan sähkövirran vaihteluja. Vaihtelut johtuvat siitä, että kiteiden tuottama sähköjännite sotkee sähkövirran normaalin kulun maalissa.

- Mittaaminen on maalin avulla helpompaa kuin perinnäisillä venymäliuskoilla, kertoo menetelmän kehittäjä Jack Hale New Scientist -lehdessä. - Sitä paitsi liuskat mittaavat venymää vain yhdessä suunnassa, joten ne eivät aina pysty varoittamaan yllättävästä rasituksesta.

Jouset pois iskunvaimentimista

Älymateriaalit voidaan määritellä sen verran joustavasti, että niihin kuuluvat myös sellaiset aineet, joiden ominaisuuksia muutetaan ulkoisella ohjauksella. Nämä ehkä ovat pikemminkin puoliälykkäitä materiaaleja.

Yksi esimerkki puoliälykkäistä materiaaleista on yhdysvaltalaisen Lord-yhtiön kehittämä magneettiöljy, jota saatetaan jo lähivuosina käyttää autojen iskunvaimentimissa. Uutuusöljystä kertoi Scientific American -lehti toukokuun numerossaan.

Menetelmä on periaatteessa yksinkertainen: sekoitetaan öljyyn rautajauhetta. Öljy on yhtä juoksevaa kuin ennenkin, kunnes siihen kohdistetaan magneettikenttä.

  hituset sitten yrittävät magneettisina takertua toisiinsa, öljystä tulee salamannopeasti sitkasta.

Nopeaa sitkeyden muutosta voidaan käyttää hyväksi auton iskunvaimentimissa. Kun etupyörään kytketty tunnistin havaitsee, että pyörä osui töyssyyn, se välittää heti tiedon auton sähköjärjestelmään, joka tuottaa öljyyn juuri sopivan vahvuisen magneettikentän.

Tämä kaikki tapahtuu sekunnin tuhannesosassa. Jos tunnistin osaa arvioida töyssyn suuruuden oikein, kuljettaja ei edes huomaa tien epätasaisuuksia vaan auto kulkee kuin sileällä asfaltilla. General Motors on Scientific American -lehden mukaan luvannut, että järjestelmä tulee Cadillaciin 2003.

Mutkia matkassa

Vaikka magneettiöljyn periaate on yksinkertainen, käytäntö on aivan toista.

Lord-yhtiö kokeili magneettiöljyään kuntopyörissä, koska polkija saattoi kätevästi säätää polkemista jarruttavan öljyn sitkeyttä ja siten asettaa polkimien vastuksen itselleen sopivaksi. Kaikki sujui hyvin muutaman kuukauden ajan, mutta sitten öljy jähmettyi sellaiseksi siirapiksi, ettei polkemisesta ollut enää puhettakaan.

Tämä ongelma on jo ratkaistu, mutta toinen ongelma on raudalla terästetyn öljyn paino. Öljyn tiheys on noin yksi, joten kahdenkymmenen litran astia tavallista öljyä painaa parikymmentä kiloa. Rautaa on kuitenkin lisättävä niin paljon, että kahdenkymmenen litran pönikkä painaa jo sata kiloa.

Autossa tämä on ongelma, sillä jokainen lisäkilo kasvattaa polttoaineen kulutusta. Autot eivät kuitenkaan ole ainoa käyttökohde. Lord-yhtiö arvelee, että magneettiöljy voisi sopia myös talojen perustuksiin alueilla, joilla on maanjäristyksiä.

Myös pesukoneen rummun jarrutukseen magneettiöljy voisi sopia. Pesukoneen automatiikka voisi säätää jarruttavan öljyn juoksevuutta sen mukaan, paljonko rummussa on pyykkiä. Rumpu pysähtyisi tempoilematta.

Sisältö jatkuu mainoksen alla