Silkistä rapuihin: Luonnosta oppia materiaaleihin Olli Ikkala akatemiaprofessori Aalto-yliopisto, Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan laitos, Molekyylimateriaalien laboratorio PL 15100, FIN-00076 Aalto, Espoo, Suomi Olli.Ikkala@aalto.fi Biomimeettiset materiaalit ja itsejärjestyminen kts Science 1998, 2002, Nature Materials 2004 Nanomikroskopiakeskus ja Nanotalo Detector 0.2 m - 8 m Sample X-ray source
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
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
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
Biologiset materiaalit tarjoavat esimerkkejä Viitteitä näistä. Hummerin syönti. Hämähäkin roikkuminen verkossa Simpukan kuoren kestävyyttä Sarvien lujuus Ovatko helmet aidot vai muovia Hyönteisen jalkojen ohuus
Biologisissa rakennemateriaaleissa yhteisiä periaatteita Jäykkyys Lujuus Sitkeys Keveys (Uusiutuvuus) Toipuminen Metalleja vältetty, silti saadaan metalleja vastaavia ominaisuuksia
Simpukan helmiäinen
Minkälaista on marmori Content Kalsiumkarbonaattia CaCO3 Hauras, luja, jäykkä MUTTA
Simpukan helmiäinen on 95% kalsiumkarbonaattia, mutta silti se on: Jäykkä Kimmokerroin 70 GPa Luja Lujuus 80-130 MPa vrt alumiinilejeerinki Kuin jotkut teräkset Hyvin sitkeä kosteana! Kevyt (tiheys 2.7 g/cm3) Biologinen Kalsiumkarbonaattilevyjä CaCO3 Paksuus 0.5 m, leveys 20-30 m Liimattu proteiineilla (ovat luonnon polymeereja) Miksi Särön eteneminen rajapinnalla kuluttaa energiaa Särö
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
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
Valmistaminen Paperikonetekniikat Suodatustekniikat Levitystekniikat Maalaaminen Mahdollistaa teknologiset sovellukset Jopa rullalta rullalle
Synteettinen simpukan helmiäinen Synteettinen helmiäinen Kimmokerroin (GPa) 45 Lujuus (MPa) 250 Tiheys (g/cm3) n. 2 2.7 Helmiäinen 80 80-130 Teräs Alumiinilejeerinki Polypropeeni 200 70 1.5-2 250-2000 7.8 410 2.8 20-80 1.5 Tilanne: Hyvä jäykkyys ja lujuus, mutta sitkeyttä parannettava Uusia ominaisuuksia: Palonkesto, lämmöneristys, kaasuneristys
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
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
Silkki
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
Silkkejä erilaisia Content T Lujuus (MPa) 1100 Tiheys (g/cm3) Silkki Moduuli (GPa) 10 teräs Alumiinilejeerinki Polypropyleeni 200 70 1.5-2 250-2000 410 20-80 7.8 2.8 1.5
Content Nanoselluloosa Suomen nanoselluloosakeskus Otaniemi UPM, TKK, VTT Paljon yrityksiä
Nanoselluloosaa puusta Content T Selluloosan 5-10 nm paksuisia nanokuituja Erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet, jos ei liuoteta Laajasti saatava ja uudistuva lähtöaine
Miksi natiivi selluloosa on kiinnostava Yhdensuuntaiset ketjut, vetysitoutuneet Kimmokerroin 130-150 GPa Lujuutta ei vielä suoraan mitattu, mutta voisi olla jopa GPa suuruusluokassa Melkein kuin biologinen teräs? Varottava hypeä!!!
Yksinkertaistettu kaavakuva miten nanoselluloosa saadaan tavallisesta puukuidusta Puukuitu 5-20 nm natiivit nanoselluloosakuidut Erotettava nanokuidut ilman liuotusta Tyypillisesti mekaanisesti jauhamalla & esikäsittelyllä
1934 Nanoselluloosa muodostaa geeliverkostoja vedessä Photograph: M Ankerfors, T Lindström/STFI Suuri geelin lujuus Mutta silti virtaa helposti
Nanoselluloosasta voi valmistaa nanopaperia, jolla erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet Kimmokerroin 14 GPa Lujuus 214 MPa Henriksson, Berglund, Lindström, Nishino, Macromolecules 2008, 9, 1579
Content Nanoselluloosalla aivan uusia ominaisuuksia esim
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
Nanoselluloosan aerogeelit ovat sitkeitä Vesipohjainen geeli Aerogeeli Veden poisto Tiheys 0.022 g/cm3 Huokoisuus 98.5% Pääkkö, Silvennoinen, Vapaavuori, Nykänen, Ankerfors, Kosonen, Ruokolainen, Lindström, Berglund, O. Ikkala, Soft Matter, 2008, 4, 2482
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).
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).
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).
Nanoselluloosasta vahvaa kuitua Nanosellulossan vesipohjainen geeli ruiskutetaan suuttimen läpi väliaineeseen ja kuivataan Modulus 22 GPa Strength 275 MPa Iwamoto, Isogai, Iwata, Biomacromolecules, 2011, 12 831 Walther, Timonen, Díez, Laukkanen, Ikkala, Adv Mat, 2011, 23, 2924
Yhteenveto
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
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)
Itsekorjaavat materiaalit