Silkistä rapuihin: Luonnosta oppia materiaaleihin

Samankaltaiset tiedostot
Nanomateriaalien mahdollisuudet ja riskit Näkökohtia, muutoksia vuoden 2008 jälkeen?

Materiaaliryhmien taksonomia

Rakennesuunnittelu. Materiaali. Kudotut rakenteet. Komposiitit ALM. Functionally graded. Vaahdot

Nanoteknologian tulevaisuuden näkymistä. Erja Turunen Vice President, Applied Materials

UUSI AKUSTINEN VAAHTORAINATTU LUONNONKUITUMATERIAALI

Materiaaliryhmien taksonomia

UPM ForMi - selluloosa biokomposiitit ja käytännön sovellukset. Stefan Fors, UPM

Luento 5 Hiiliteräkset

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

Luonnonkuidusta lujitteeksi. Kumi-instituutin ja TTY:n Luomaprojektin kevätseminaari Päivi Lehtiniemi,TTY

Valunhankintakoulutus Pirjo Virtanen Metso Lokomo Steels Oy. Teräsvalujen raaka-ainestandardit

Kolme lineaaristen polyamidien valmistusmenetelmistä on kaupallisesti merkittäviä:

Virukset Materiaalitieteiden Rakennusaineina Suomalainen Tiedeakatemia

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

FERRIITTISET RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET.

Fysikaaliset ominaisuudet

CHEM-A1410 Materiaalitieteen Perusteet Luento 3: Mekaaniset ominaisuudet Ville Jokinen

Forest Knowledge Know how Well being. METLA Itä Suomen alueyksikkö Joensuu.

MEKAANINEN AINEENKOETUS

Suomalainen ja ruotsalainen mänty rakennuspuusepän-, sisustus- ja huonekalutuotteiden raaka-aineena

Tekniset polyuretaanit ja PDCPD

Kon Luento 12 -Säteilyhaurastuminen -Mikrorakenteen vaikutus murtumiseen -Yhteenveto -CASE: Murtumismekanismien yhteisvaikutukset

Materiaalifysiikkaa antimaterialla. Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

TEOLLISUUSPINNOITTEET

Nostureita on monenlaisia, akseleista puhumattakaan. Uddeholmin teräkset akseleihin

Hitsattavien teräsrakenteiden muotoilu

Keraamit ja komposiitit

MIILUX KULUTUSTERÄSTUOTTEET JA PALVELUT. - Kovaa reunasta reunaan ja pinnasta pohjaan -

Termoplastiset polyesterit: Polyeteenitereftelaatti

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

OMAX VESILEIKKUUMATERIAALIT

KLINGERsil. Tiivistemateriaalit C-4430 C-4500 C-4509 C-8200

METALLITUOTTEIDEN MAALAUS MAALATTAVAT METALLIT. Copyright Isto Jokinen. Käyttö opetuksessa tekijän luvalla

MAALIEN KEMIAA, TUTKIMUKSELLISUUTTA YLÄKOULUUN JA TOISELLE ASTEELLE

Advanced Materials Araldite 2015 TUOTESELOSTE

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

Palkkivälipohjan äänitekniikka

METSÄN UUDET MAHDOLLISUUDET UPM BIOFORE YHTIÖ. ProSuomi-projektin päätösseminari , Juuso Konttinen

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

Nanotäyteaineet kumissa

Advanced Materials Araldite 2033 TUOTESELOSTE

Uusi teollinen biotekniikka ja biotalous. Prof. Merja Penttilä VTT

Pohjoismaisen männyn ominaisuudet kilpaileviin havupuulajeihin ja muihin materiaaleihin verrattuna rakennuspuusepäntuotteissa

Advanced Materials Araldite 2011 TUOTESELOSTE

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

VAIHTOEHTOISTEN MAARAKENNUSMATERIAALIEN MEKAANISET OMINAISUUDET UUMA2-vuosiseminaari, Elina Lätti

UDDEHOLM VANADIS 4 EXTRA. Työkaluteräksen kriittiset ominaisuudet. Käyttökohteet. Ominaisuudet. Yleistä. Työkalun suorituskyvyn kannalta

KOTELOIDEN VALMISTUSMENETELMÄT JA NIIHIN LIITTYVÄT SUUNNITTELUOHJEET

MUOVIT VAATETUSTEKNIIKASSA

Janne Juhola

Muovit kiertoon! Maija Pohjakallio,

Meiltä levyt kaikkiin tarpeisiinne. Tuoteluettelo

RAHANARVOISTA SUORITUSKYKYÄ

Elintarviketeollisuuden hapan vaahtopesuneste

Esimerkkejä eri materiaalien imeytyskapasiteetin vertailusta (testattu cp öljyllä 20 C lämpötilassa):

Advanced Materials Araldite 2031 TUOTESELOSTE

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

Maaperän biologinen monimuotoisuus Tuhannet tuntemattomat jalkojemme alla

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

Konkretiaa puuhun perustuvilla ratkaisuilla PÄÄTTÄJIEN 43. METSÄAKATEMIA EVELIINA POKELA

irrottaa tehokkaasti kerrostumia ei sisällä pinta-aktiivisia aineita

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Testimenetelmät: SFS-EN ja

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Construction. Sikadur -Combiflex CF liima, tyyppi N ja tyyppi R. Kaksikomponenttinen epoksipohjainen rakenneliima Osa Sikadur -Combiflex -järjestelmää

Hydropanel. Nykyaikainen kuitusementtilevy Testatut ja monipuoliset ominaisuudet

KALKKIA VEDENPUHDISTUKSEEN

LUONNONMATERIAALIT/POLYMEE- RIT PUOLIVALMISTEET

Liukujärjestelmät Tuoteluettelo 2014

SISÄLTÖ 1. Veto-puristuskoe 2. Jännitys-venymäpiirros 3. Sitkeitten ja hauraitten materiaalien jännitysvenymäkäyttäytyminen

Ekodesign - kestävät materiaali- ja valmistuskonseptit

BIOMOLEKYYLEJÄ. fruktoosi

Tämä teksti on lyhennelmä Suomalaisen

Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset

Tekstiilien tutkiminen ja testaus

Puun uudet käyttömuodot Vastuullinen metsien käyttö kasvavia odotuksia ja uusia mahdollisuuksia Pia Nilsson, UPM

Osaamista autoteollisuuden kanssa - ConceptCar. Pekka Hautala

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

Ydinpolttoainekierto. Kaivamisesta hautaamiseen. Jari Rinta-aho, Radiokemian laboratorio

Lujitemuovirakenteiden korjaus

Construction. Nopeasti kuivuva, luja rakenneliima. Tuotekuvaus. Tuotetietoesite Versio 18/10/2011 Tunniste:

Metallin lisäävän valmistuksen näkymiä

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Biotalouden uudet tuotteet

Betonituotteet kemiallista kestoa vaativiin kohteisiin Ruskon Betoni Oy , Niko Riikonen

Biomassasta aktiivihiileksi - biohiilen aktivointimenetelmistä ja sovelluksista

SOLUSEINÄN KOOSTUMUS Puukuitujen soluseinät koostuvat lähinnä selluloosasta, hemiselluloosista ja ligniinistä.

UDDEHOLM UNIMAX 1 (5) Yleistä. Käyttökohteet. Mekaaniset ominaisuudet. Ominaisuudet. Fysikaaliset ominaisuudet

leijona- Julkisten tilojen kuningas vaativaan ammattikäyttöön

illi s illi S Aitapaalut

Alumiinin ominaisuuksia

KONSERVOINTIVÄLINEET. Dahlia-sumutin

Tuotanto. Lankojen valmistus tapahtuu kylmävetämällä, käyttäen raakaaineena

Betonilattioiden pinnoitusohjeet

Advanced Materials Araldite 2012 TUOTESELOSTE

Rakennusten energiatehokkuus rakennuksen elinkaaren vaiheet

Loimimateriaalit. Elena Autio ja Minna-Liisa Heiskanen Suomen Hevostietokeskus ry Tallinpitäjän verkkotietopakettihanke 2015

Komposiittitutkimuksella tuotteisiin

Ultrasil 53. Kuvaus. Ominaisuudet. Käyttö. Neutraali entsymaattinen, jauhemainen membraanien pesuaine

Takeesta laadukkaaksi tuotteeksi joustavasti yrityksesi tarpeen mukaan.

Transkriptio:

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