Tulevaisuuden maanjäristyksissä talo kallistelee kuin laiva laineilla, mutta nousee sitten pystyyn. Suurin uhka on, että perintöporsliinit putoavat hyllyltä. Uudelle supermateriaalille on talojen ja siltojen lisäksi käyttöä ihmiselimistön vaurioiden korjaamisessa.

Teksti: Kalevi Rantanen

Tulevaisuuden maanjäristyksissä talo kallistelee kuin laiva laineilla, mutta nousee sitten pystyyn. Suurin uhka on, että perintöporsliinit putoavat hyllyltä. Uudelle supermateriaalille on talojen ja siltojen lisäksi käyttöä ihmiselimistön vaurioiden korjaamisessa.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2010Kaikille, joiden intohimo on seurata materiaalitutkimuksen saavutuksia, tarjoiltiin viime maaliskuussa harvinainen herkkupala. Tohtori Yuuki Tanaka työtovereineen japanilaisesta Tohokun yliopistosta raportoi Science-tiedelehdessä uudesta metalliseoksesta, jossa yhdistyvät kumin ja teräksen hyvät ominaisuudet. Se joustaa – siis muistaa muotonsa – mutta on silti lujaa.Kumi, joka venytetään kaksinkertaiseen pituuteen, palautuu irti päästettynä helposti takaisin alkuperäiseen mittaansa. Tavallisilta metalleilta sen sijaan puuttuu joustavuutta; niiden palautuva venymä on vain prosentin murto-osia.Joustavaa kumirakennetta eivät järistykset vahingoittaisi, mutta ongelmaksi tulee lujuus: kumin vetolujuus jää kymmenen megapascalin paikkeille, kun tavallinen teräs kestää satoja megapascaleita ja vahvimmat teräkset yltävät tuhanteen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Rauta muuttaa muotonsaJapanilaistutkijoiden kehittämän rautapohjaisen metalliseoksen lujuus ylittää parhaimmillaan tuhat megapascalia, ja sen palautuva venymä on noin 13 prosenttia. Ominaisuuksien salaisuus on rakenteessa.Raudalla, kuten monilla muillakin alkuaineilla, on erilaisia allotrooppisia muotoja. Atomien kytkökset kiteissä vaihtelevat, jolloin myös ominaisuudet muuttuvat. Raudan tärkeimmät allotrooppiset muodot ovat alfa- ja gammarauta. Materiaali saadaan venymään ja supistumaan, jos pystytään hallitusti muuttamaan rautaa alfamuodosta gammamuotoon ja takaisin. Japanilaiset loivat muuntumiskykyisen seoksen lisäämällä rautaan sopivia määriä nikkeliä, kobolttia, alumiinia, tantaalia ja booria. Sitten he muokkasivat seosta erilaisilla termomekaanisilla käsittelyillä.Markkinointiväki ei vielä ole keksinyt seokselle vetävää nimeä. Tutkijat käyttävät lisäaineiden mukaan nimitystä NCATB.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kuin sveitsiläinen linkkariKahden ominaisuuden, tärkeänkin, yhdistäminen on vielä vähän. Materiaalin kehittäminen muistuttaa kamelin ajamista neulansilmän läpi. Vaatimuksia, joita pitää täyttää, on kymmeniä. Materiaalin on oltava helposti valmistettavissa ja muokattavissa. Sen pitää toimia normaalioloissa. Sen on oltava myrkytöntä, paloturvallista ja säästää ympäristöä. Hinta on saatava tarpeeksi alhaiseksi suhteessa materiaalin ominaisuuksiin.Asiantuntijoiden mukaan japanilaiset tutkijat ovat pitkälle onnistuneet tehtävässään. Texasin yliopiston materiaalitutkijat Ji Ma ja Ibrahim Karaman kommentoivat uutta seosta tuoreeltaan samassa Science-lehden numerossa.  He vertaavat sitä Sveitsin armeijan linkkuveitseen. NCATB-harkkoa voidaan esimerkiksi ohentaa kymmenenteen osaan valssaamalla, mikä valmistuksessa on suuri etu. Kun seos venyy tai supistuu, sen magneettisuus muuttuu samalla voimakkaasti. Tästä seuraa, että materiaalia voidaan tarkkailla ja ohjata magneettikentällä.

Istuu isoon ja pieneen Superelastinen materiaali, joka mukautuu mekaanisiin voimiin, edustaa laajaa adaptiivisten materiaalien ryhmää. Tietenkin tutkimus- ja kehitystyötä on tehtävä vielä vuosia. Tietoa tarvitaan esimerkiksi superelastisuuden pysyvyydestä eli siitä, kuinka suurta määrää kuormitussyklejä materiaali kestää.Superelastista ainetta todella tarvitaan Japanissa, missä maanjäristykset rikkovat siltoja ja rakennuksia. Tutkijat uskovat, että uuden seoksen avulla vahinkoja voidaan merkittävästi pienentää, ellei kokonaan estää.Sovelluksia löytyy myös pienistä kohteista. Kirurgit lujittavat verisuonia sisäpuolelta stenteillä eli verkkoputkilla. Koska NCATB on erittäin lujaa, siitä pystytään tekemään pieni ja ohut verkkoputki, joka mahtuu hankaliin paikkoihin, kuten aivoihin. Materiaalin magneettisuus taas mahdollistaa lujitettavan kohdan tarkkailun: verkkoputki hälyttää, jos suoni uhkaa murtua. Magneettisia ominaisuuksia voidaan hyödyntää erilaisissa kosketuksettomissa mittauslaitteissa samoin kuin uusissa sähkölaitteissa. Mekaanista, esimerkiksi tärinän energiaa voidaan myös muuttaa sähköksi.

Olisiko käynyt Myllysiltaan? Milloin NCATB:tä voi ostaa? Yuuki Tanaka vastaa kysymykseen sähköpostitse: – Uskomme, että rautapohjaiset muistimateriaalit ovat käytössä 5–10 vuoden kuluttua. Kerron tohtori Tanakalle, kuinka Suomessa jää väänsi talvella siltaa. Olisiko mahdollista, että tulevaisuudessa silta vain taipuisi jään alkaessa puristaa ja keväällä sulavesien aikaan palaisi ennalleen? Tanaka toteaa, ettei yksityiskohtia tarkemmin tuntematta uskalla sanoa, miten uusi materiaali toimisi juuri Turun Myllysillassa.– Mutta yleisesti uskomme, että seoksemme sopii myös suomalaisiin siltoihin.Jos Turku materiaalia joskus käyttää, ensikohde lienee jokin muu kuin Myllysilta. Uuden rakentaminen alkaa lokakuussa.

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, vapaa tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

 

Ihmemateriaaleilla monta nimeä

– Älykäs. Funktionaalinen. Aktiivinen. Adaptiivinen.– Neljä määritettä tarkoittavat asiallisesti likipitäen samaa: materiaalia, joka reagoi voimakkaasti ja halutulla tavalla ulkoiseen ärsykkeeseen. – Materiaalit voivat olla metalliseoksia, polymeerejä tai komposiitteja. Niitä aktivoidaan esimerkiksi mekaanisesti, sähkö- tai magneettikentällä tai sähkömagneettisella säteilyllä.– Älykäs materiaali on pikemmin myyntikäsite kuin tekninen termi. Äly piilee rakenteessa tai laitteessa, johon materiaali kuuluu.

Aktiivinen materiaali sopii moottoriin ja lihakseen

– Muistimetallit muuttavat muotoaan lämpötilan mukaan. Tunnetuin muistimetalli on nikkelin ja titaanin seos Nitinol, jota on käytetty1960-luvulta alkaen liittimissä, kirurgien välineissä ja robottien toimielimissä.Muistimetalli-nimitys on epätarkka. Lämpötilaan voimakkaasti reagoiva Nitinol nimettiin aikanaan muistimetalliksi. Myöhemmin on tullut uusia muistiseoksia, metallisia ja muita, jotka reagoivat myös magneetti- ja sähkökenttiin sekä mekaanisiin vaikutuksiin. – Pietsosähköiset materiaalit muuttavat muotoaan sähkökentän vaikutuksesta tai synnyttävät puristettaessa sähkökentän. Pietsot ovat vanha materiaaliryhmä, jolle keksitään yhä uusia sovelluksia. Nykyään tutkitaan paljon ihmisen liike-energian muuttamista sähköksi pietsoelementtien avulla sekä äänen ja muun värähtelyn vaimentamista. Pietsot sopivat esimerkiksi turvavöihin. Auton penkkiin upotettu pietsoelementti tunnistaa, että ihminen istuu päälle. Elementti viestii turvatyön kanssa, ja vyö alkaa piipittää, ellei istuja kiinnitä sitä.– Magnetostriktiiviset materiaalit muuttavat muotoaan magneettikentän vaikutuksesta. Jos ominaisuus on erityisen voimakas, puhutaan magneettisista muistimetalleista eli MSM-materiaaleista.Suomalainen yritys AdaptaMat valmistaa nikkelin, mangaanin ja galliumin seosta, joka venyy magneettikentässä 50 kertaa enemmän kuin perinnäiset magnetostriktiiviset materiaalit. Materiaalin kehittivät Teknillisen korkeakoulun tutkijat Kari Ullakko ja Ilkka Aaltio 1990-luvulla. Käyttökohteita ovat erilaiset lineaarimoottorit, venttiilit, pumput, kiinnittimet, robottien ja vibraattorien osat, porat ja kaiuttimet.– Sähköreologiset nesteet jäykistyvät sähkökentässä, magnetoreologiset nesteet taas magneettikentässä. Molemmille löytyy käyttöä kytkimistä ja vaimentimista. – Sähköaktiiviset materiaalit muuttavat muotoaan sähköisen jännitteen vaikutuksesta. Näiden polymeerien uskotaan sopivan muun muassa tekolihasten rakennusaineeksi.– Aukseettiset materiaalit kasvattavat poikkileikkaustaan venytettäessä. Näistä energiaa absorboivista materiaaleista voidaan tehdä esimerkiksi moottoripyöräilijän pukuun iskua vaimentavia osia.– Kromogeeniset materiaalit muuttavat väriään ulkoisen ärsykkeen takia. Muutoksen voi aiheuttaa lämpötila, valo, sähkövirta, happamuus, kitka tai paine. Käyttökohteita on paljon. Ikkuna muuttaa väriään ja säästää energiaa, ja voi myös  kuvitella talviverhot, jotka muuttuvat kesäverhoiksi. Väriään vaihtavia vaatteita on jo markkinoilla.

Magneettinen naula venyttää luuta

Uuden suomalaisidean ansiosta raajan venyttäminen muuttuu, jos ei nyt ihan miellyttäväksi, niin ainakin vähemmän kivuliaaksi.

Adaptiivisten materiaalien sovelluksia kehitetään innokkaasti myös Suomessa. Hyvä esimerkki on luunvenytin, jota vielä vähän aikaa sitten pidettiin scifitavarana.Sairauden, onnettomuuden tai epämuodostuman takia raajaa pitää joskus venyttää. Perinnäiset venytyslaitteet tuovat mieleen tarinat keskiajan kidutushärveleistä. Ihon ja lihaksen läpi lyödään luuhun piikkejä, jotka kiinnitetään ulkoiseen kehikkoon. Kuten arvata saattaa, hoito on kivuliasta. Lisäksi piikin ja ihon kosketuskohta tulehtuu helposti. Aalto-yliopiston Teknillinen korkeakoulu ja Orton-säätiö ovat yhdessä kehittäneet magneettisen venyttimen, joka helpottaa potilaan elämää. Kirurgit asentavat luuhun naulan, jota venytetään magneettikentässä. Samalla venyy luukin.Potilas sujauttaa jalkansa muutaman kerran päivässä magneettilaitteeseen, jota voi käyttää kotisohvalla leväten. Luuta kasvatetaan niin hitaasti, että potilas ei tunne kipua. Kun uutta luuta on kasvanut tarpeeksi, kirurgit poistavat naulan.Tutkimuksesta versonut yritys Synoste kertoo aloittavansa kliiniset kokeet mahdollisesti jo tänä vuonna. Tutkijoiden mukaan samalla tavoin voidaan hoitaa esimerkiksi skolioosia eli oikaista kieroutunutta selkärankaa ja yleensäkin korjata luustoa. Ehkä dramaattisin tutkittavista sovelluksista on vastasyntyneen lapsen pääkopan uudelleenmuotoilu. Vauvan epämuodostunut kallo saadaan korjattua magneettisen materiaalin ja magneettikentän avulla.

Sisältö jatkuu mainoksen alla