Silkistä rapuihin: Luonnosta oppia materiaaleihin

Transkriptio

1 Silkistä rapuihin: Luonnosta oppia materiaaleihin Olli Ikkala akatemiaprofessori Aalto-yliopisto, Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan laitos, Molekyylimateriaalien laboratorio PL 15100, FIN Aalto, Espoo, Suomi Biomimeettiset materiaalit ja itsejärjestyminen kts Science 1998, 2002, Nature Materials 2004 Nanomikroskopiakeskus ja Nanotalo Detector 0.2 m - 8 m Sample X-ray source

2 Miten tätä materiaalia voidaan kuvailla Porsliini Ei taivu, vaikka vääntäisi Se on siis jäykkä Siis suuri moduli Voi kohdistaa siihen paljon voimia (siis jos on varovainen) Sillä on siis suuri lujuus Mutta tiputtaa ei saa, koska se särkyy pudotessaan Se on siis hauras eli se ei ole sitkeä Eli se ei voi absorboida ulkoa tuotua energiaa Siis pieni murtositkeys ja usein myös pieni venymå Hyvin tyypillistä: Jäykkä ja luja materiaali on haurasta Hauras: Särö kasvaa helposti

3 Entäs nämä materiaalit Kumi Taipuvat helposti kun vääntää Se on pehmeä eli ei ole jäykkä Eli pieni moduli Sen rikkomiseen riittää vain pieni voima Siis pieni lujuus Mutta voi tiputtaa vapaasti, se ei mene rikki Se siis ei ole hauras eli se on sitkeä Hyvin tyypillistä: Sitkeä materiaali on pehmeää ja heikkoa

4 Mitäs jos haluaisin jäykän, lujan ja sitkeän materiaalin Jäykkä ja luja Sitkeä (eli ei-hauras) Tämä on vaikea pyyntö jota insinöörin on hyvin vaikea toteuttaa Lisäksi haluaisin että materiaali olisi Halpaa Teollisesti valmistettavaa Turvallista Kierrätettävää (säästää luontoa) Kevyttä (säästää energiaa) Jne jne

5 Biologiset materiaalit tarjoavat esimerkkejä Viitteitä näistä. Hummerin syönti. Hämähäkin roikkuminen verkossa Simpukan kuoren kestävyyttä Sarvien lujuus Ovatko helmet aidot vai muovia Hyönteisen jalkojen ohuus

6 Biologisissa rakennemateriaaleissa yhteisiä periaatteita Jäykkyys Lujuus Sitkeys Keveys (Uusiutuvuus) Toipuminen Metalleja vältetty, silti saadaan metalleja vastaavia ominaisuuksia

7 Simpukan helmiäinen

8 Minkälaista on marmori Content Kalsiumkarbonaattia CaCO3 Hauras, luja, jäykkä MUTTA

9 Simpukan helmiäinen on 95% kalsiumkarbonaattia, mutta silti se on: Jäykkä Kimmokerroin 70 GPa Luja Lujuus MPa vrt alumiinilejeerinki Kuin jotkut teräkset Hyvin sitkeä kosteana! Kevyt (tiheys 2.7 g/cm3) Biologinen Kalsiumkarbonaattilevyjä CaCO3 Paksuus 0.5 m, leveys m Liimattu proteiineilla (ovat luonnon polymeereja) Miksi Särön eteneminen rajapinnalla kuluttaa energiaa Särö

10 Simpukan helmiäinen on kallista: Voisiko synteettistä simpukan helmiäistä tehdä Voisi tietysti latoa kerros kerrokselta vuorotellen kalsiumkarbonaattinanoliuskeita ja polymeereja. Toimii mutta Tyypillisesti vaatisi useita satoja toimenpiteitä Ei ole ratkaisu

11 Ensimmäinen teknologisesti mielekäs tapa valmistaa synteettistä simpukan helmiäistä Nanosaviliuskeita (paksuus 1 nm), päällystetään polymeerilla vesiastiassa Poistetaan vesi, polymeerikuorrutetut levyt pakkautuvat kerroksiksi Voidaan esimerkiksi maalata pinnalle Esimerkki itsejärjestymisestä Vuorottelevat kovat ja pehmeät kerrokset Suurin osa kovaa materiaalia Yleinen luonnon periaate! Walther, Bjurhager, Malho, Ruokolainen, Pere, Berglund, Ikkala, Nano Letters, (2010) Discovery Channel News 2010

12 Valmistaminen Paperikonetekniikat Suodatustekniikat Levitystekniikat Maalaaminen Mahdollistaa teknologiset sovellukset Jopa rullalta rullalle

13 Synteettinen simpukan helmiäinen Synteettinen helmiäinen Kimmokerroin (GPa) 45 Lujuus (MPa) 250 Tiheys (g/cm3) n Helmiäinen Teräs Alumiinilejeerinki Polypropeeni Tilanne: Hyvä jäykkyys ja lujuus, mutta sitkeyttä parannettava Uusia ominaisuuksia: Palonkesto, lämmöneristys, kaasuneristys

14 Yhteenveto: Miten siis biologiset ja perinteiset nanokomposiitit erosivatkaan Perinteinen Paljon polymeeria Vähän täytelevyjä Ei itsejärjestynyt Ei suuntautunut Kimmokerroin = 0.9 GPa Lujuus = 20 MPa Biologinen Vähän polymeeria (pehmeä) Paljon täytelevyjä (kova) Itsejärjestyy Suuntautuu 45 GPa 250 MPa

15 Biologisissa rakennemateriaaleissa yhteisiä periaatteita Itsejärjestyminen Suuntautuminen Hierarkinen rakenne, eli rakennetta usealla eri tasolla Nanokomposiittirakenne Lujittavia nanokokoisia suuntautuneita alueita Antavat suuren jäykkyyden ja lujuuden Sitkistäviä alueita edellisten välissä Kuluttuvat energiaa materiaaliin kohdistettaessa voimia Mekanismeja tunnetaan vielä huonosti

16 Silkki

17 Silkki: Toinen esimerkki luonnon materiaalista, jolla itsejärjestyneet suuntautuneet kovat ja pehmeät alueet Lujin luonnonkuitu Lujuus. 1.3 GPa vs teräs1.6 GPa Tiheys 1/5 teräksestä Venyy 40 % Sitkeä Kuidutettu vedestä Mutta ei liukene veteen Tämäkin koostuu vuorottelevista kovista ja pehmeistä alueista

18 Silkkejä erilaisia Content T Lujuus (MPa) 1100 Tiheys (g/cm3) Silkki Moduuli (GPa) 10 teräs Alumiinilejeerinki Polypropyleeni

19 Content Nanoselluloosa Suomen nanoselluloosakeskus Otaniemi UPM, TKK, VTT Paljon yrityksiä

20 Nanoselluloosaa puusta Content T Selluloosan 5-10 nm paksuisia nanokuituja Erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet, jos ei liuoteta Laajasti saatava ja uudistuva lähtöaine

21 Miksi natiivi selluloosa on kiinnostava Yhdensuuntaiset ketjut, vetysitoutuneet Kimmokerroin GPa Lujuutta ei vielä suoraan mitattu, mutta voisi olla jopa GPa suuruusluokassa Melkein kuin biologinen teräs? Varottava hypeä!!!

22 Yksinkertaistettu kaavakuva miten nanoselluloosa saadaan tavallisesta puukuidusta Puukuitu 5-20 nm natiivit nanoselluloosakuidut Erotettava nanokuidut ilman liuotusta Tyypillisesti mekaanisesti jauhamalla & esikäsittelyllä

23 1934 Nanoselluloosa muodostaa geeliverkostoja vedessä Photograph: M Ankerfors, T Lindström/STFI Suuri geelin lujuus Mutta silti virtaa helposti

24 Nanoselluloosasta voi valmistaa nanopaperia, jolla erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet Kimmokerroin 14 GPa Lujuus 214 MPa Henriksson, Berglund, Lindström, Nishino, Macromolecules 2008, 9, 1579

25 Content Nanoselluloosalla aivan uusia ominaisuuksia esim

26 Aerogeelit ovat erittäin huokoisia aineita Perinteisesti valmistettu silikaattiverkostosta poistamalla liuotin siten, että rakenne ei luhistu Hyvin huokoista (99% ilmaa) Kevyttä Sovelluksia Lämmöneristys Kemiallisen analyysin apuaine Mutta äärimmäisen hauras

27 Nanoselluloosan aerogeelit ovat sitkeitä Vesipohjainen geeli Aerogeeli Veden poisto Tiheys g/cm3 Huokoisuus 98.5% Pääkkö, Silvennoinen, Vapaavuori, Nykänen, Ankerfors, Kosonen, Ruokolainen, Lindström, Berglund, O. Ikkala, Soft Matter, 2008, 4, 2482

28 TiO2-päällystetty nanoselluloosan aerogeeli on öljysieppari Kelluu veden pinnalla Ei absorboi vettä Mutta absorboi öljyä täyteen huokoisensa Korhonen, Kettunen, Ras, Ikkala, ACS Applied Mat and Interf, 3, 1813 (2011).

29 Mutta nanoselluloosasta saadaan kumimaisen taipuisa aerogeeli, joka voidaan sitä paitsi vielä funktionalisoida, esimerkiksi magneettiseksi Olsson, Azizi Samir, Salazar-Alvarez, Belova, Ström, Berglund, Ikkala, Nogués, Gedde, Nature Nanotech, 5, 584 (2010).

30 Kumimainen magneettinen nanoselluloosan aerogeeli Siis melkein tyhjä taipuisa magneetti Olsson, Azizi Samir, Salazar-Alvarez, Belova, Ström, Berglund, Ikkala, Nogués, Gedde, Nature Nanotechnology, 5, 584 (2010).

31 Nanoselluloosasta vahvaa kuitua Nanosellulossan vesipohjainen geeli ruiskutetaan suuttimen läpi väliaineeseen ja kuivataan Modulus 22 GPa Strength 275 MPa Iwamoto, Isogai, Iwata, Biomacromolecules, 2011, Walther, Timonen, Díez, Laukkanen, Ikkala, Adv Mat, 2011, 23, 2924

32 Yhteenveto

33 Verrattuna perinteisiin nanokomposiitteihin Perinteisessä lähestymistavassa sekoitetaan pieni määrä vahvistavia kuituja, hiukkasia, tai levymäistä lujitetta muoviin Saavutetaan parantuneita ominaisuuksia, teollisesti tärkeä Mutta erittäin vaikea saada vastaavia ominaisuuksia kuin biologisissa materiaaleissa Yleensä kun kasvatetaan jäykkyyttä ja lujuutta, pienenee sitkeys

34 Biologiassa kevyitä mutta mekaanisesti erinomaisia materiaaleja Yhdistävät jäykkyyden, lujuuden, ja sitkeyden Esimerkiksi Simpukan helmiäinen Ravun kuori Suuri osuus suuntautuneita lujittavia komponentteja Pieni osuus sitkistäviä komponentteja Itsejärjestyminen Silkki Nanoselluloosa Lujuus/tiheys (knm/kg)

35 Itsekorjaavat materiaalit