Tutkimusuutiset - Tampereen teknillinen yliopisto

Koruissa säihkyvä zirkonia on myös erittäin särkyvä neste

Zirkonia on epäorgaaninen yhdiste ja keraaminen materiaali, jota käytetään muun muassa timantin korvikkeena koruissa. Tamperelaiset ja japanilaiset tutkijat selvittivät yhdessä nestemäisen zirkonian ominaisuudet laskennallisin ja kokeellisin menetelmin.

–Luokittelimme zirkonian "erittäin särkyväksi nesteeksi", kertoo akatemiatutkija Jaakko Akola Tampereen teknillisen yliopiston fysiikan laitokselta. Hän kuuluu kansainväliseen tutkimusryhmään, joka selvitti nestemäisen zirkoniumdioksidin eli zirkonian ominaisuuksia. Aiemmin niitä ei ole vastaavalla tasolla tutkittu.

Mitä on särkyvä neste? Fyysikkojen ja kemistien mukaan tällaisesta materiaalista on erittäin vaikeaa muodostaa lasia perinteisellä sulatusmenetelmällä. Tuloksena saadaan useimmiten kidemäistä materiaalia. Akolan mukaan zirkoniumdioksidi eli zirkonia on lasinmuodostumisen kannalta erityisen hankala materiaali, eikä sen tutkiminenkaan ole helppoa. Juuri tämän vuoksi suomalais-japanilainen tutkimusryhmä päätti ryhtyä toimeen.

Pysäytyskuva nestemäisen zirkonian atomirakenteesta suoraan simulaatioista napattuna. Kuvassa näkyvät atomien väliset kemialliset sidokset, missä zirkonium on väritetty syaanilla ja happi punaisella. Lisäksi kuvassa näkyy ylimmän miehitetyn elektronitilan aaltofunktio.


Hankala aine mitattavaksi

Zirkonia sulaa vasta 2715 celsiusasteessa, joten nestemäinen zirkonia on haasteellinen tutkittava. Perinteisissä sulatusmenetelmissä rajoitteeksi tulee, että aineelle on hankala löytää kestävää sulatusastiaa.

–Käytännössä japanilaisten kollegoiden täytyi sulattaa materiaali ilman astiaa. Zirkonianäytettä leijutettiin ilmassa aerodynaamisella levitaatiolla, ja samalla sitä sulatettiin laserilla. Vastaavasti myös röntgendiffraktiomittaukset täytyi suorittaa näissä olosuhteissa, Akola kertoo.

Akolan tutkimusryhmä keskittyi tutkimuksen laskennalliseen osuuteen. Se mallinsi nestemäisen materiaalin rakenteen, dynamiikan ja elektroniset ominaisuudet atomitasolla. Mallinnus perustui raskaisiin simulaatioihin, jotka tehtiin Espoossa Tietotekniikan keskus CSC:n supertietokoneilla. Simulaatioiden atomirakenteet ja kokeellisesti mitattu röntgendiffraktiospektri sopivat erinomaisesti toisiinsa, joka vahvisti teorian ja kokeiden yhteensopivuuden.

–Analyysimme osoitti, että nesteessä käy varsinainen kuhina. Uusia kemiallisia sidoksia syntyy ja vanhoja rikkoutuu erittäin nopealla tahdilla. Tästä myös johtuu nesteen harvinaisen alhainen viskositeetti.

Akolan tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian laskennallisen nanotieteen COMP-huippututkimusyksikköä Aalto-yliopistossa ja Tampereen teknillisessä yliopistossa. Tutkimusryhmään kuuluivat tutkijatohtori Matti Ropo Tampereen teknillisestä yliopistosta, M.Sc. Leonid Patrikeev Tampereen ja Lappeenrannan teknillisistä yliopistoista, Dr. Shinji Kohara SPring-8 synkrotronilaboratoriosta sekä tutkijoita Japanin avaruustutkimusvirastosta ja japanilaisista yliopistoista.

–Tätä kansainvälistyminen ja tieteenalojen välinen yhteistyö on parhaimmillaan. Kun verkostoidumme parhaiden tutkimusryhmien kanssa ja käytämme hyväksi kokeellisten ja teoreettisten menetelmien koko arsenaalia, pystymme tekemään korkealaatuista tutkimusta lasimateriaalien parissa. Se tuottaa uutta tietoa myös yleisemmässä viitekehyksessä kuten tällä kertaa on käynyt, Akola sanoo.

 

Akolan tutkimusryhmä osoitti laskennallisin työkaluin, että zirkonian huono taipumus muodostaa lasia johtuu atomirakenteen yksityiskohdista. Erityisesti siihen vaikuttavat kemiallisten sidosten verkoston topologinen monimutkaisuus.

–Lasi yleisesti ottaen on epäjärjestynyttä materiaalia atomitasolla, mutta siellä esiintyy säännöllisesti toistuvia rakennuspalikoita ja järjestystä. Zirkoniassa näitä erilaisia rakennuspalikoita on useampia. Niitä voidaan liittää yhteen lukuisilla eri tavoilla. Ne voivat muuttaa nopeasti muotoaan, jolloin neste ei ehdi lukittautua lasimaiseen olomuotoon jäähdytettäessä, vaan se käytännössä kiteytyy välittömästi, Akola selittää.

Tutkimusryhmän havainnot antavat myös uutta näkökulmaa yleisemmin lasinmuodostumisen fysiikkaan ja kemiaan, ja ne selittävät erityisesti tiettyjen nestemäisten oksidimateriaalien "särkyvyyden" perusteet.

Korujen lisäksi zirkonia käytetään lukuisissa sovelluksissa, kuten suojaavana päällysteenä, valoa taittavana materiaalina, eristeenä sekä kiinteän olomuodon elektrolyyttimateriaalina polttokennojen kalvoissa ja elektronisissa sovelluksissa. Luonnossa zirkoniaa esiintyy harvinaisena baddeliittimineraalina, joka on läpinäkyvää ja jolla on korkea valon taitekerroin.

Tutkijoiden työn tulokset julkaistiin joulukuussa 2014 arvostetussa tieteellisessä aikakauslehdessä Nature Communications.

Lisätietoja
Tampereen teknillinen yliopisto, fysiikan laitos
akatemiatutkija Jaakko Akola
 
puh. 040 198 1179

http://webhotel2.tut.fi/fys/compphysstaff/mmm/jaakkoakola/

http://www.tut.fi/en/about-tut/departments/physics/research/computational-physics/materials-and-molecular-modeling/

Uutisen jättäjä: Marjut Kemiläinen
Asiasanat: tiede ja tutkimus, näkyvyys ja viestintä