Nr. 6/2005


Ülemaailmne füüsika aasta
Mida millestki teha saaks

Millest on tehtud väikesed tüdrukud?
Suhkrust ja jahust ja maasikavahust.
Millest küll tehtud on väikesed poisid?
Tiigrist ja konnast ja kutsikahännast...
(Inglise rahvalaul)

Mitte ainult inimlik huvi selle vastu, millest miski on tehtud ja mida millestki teha saaks, vaid ka eluline vajadus igapäevaprobleeme lahendada, on saatnud inimkonda aegade hämarusest alates. Tähtsaimate tööriista- ja relvamaterjalide järgi eristuvad kiviaeg, pronksiaeg, rauaaeg ja teraseaeg. Neist viimane seostub eeskätt terasesulatuse tehnoloogia väljatöötamisega 19. sajandi keskel. Veel praegugi, 21. sajandi algul, kestab terase kui ühe peamise konstruktsioon- ja tööriistamaterjali ajastu. Eks terase kõrval kasutatakse ka teisi metalle, peamiselt vaske, alumiiniumi, tsinki, magneesiumi ja titaani, samuti betooni, puitu, plastikuid ning üha enam komposiitmaterjale, mis koosnevad üsnagi erisugustest, ka viimati mainitud, materjalidest. Varasematel aegadel kasutati peamiselt looduslikke materjale – kivi, puitu, nahka ja muud. Mõnevõrra hiljem tulidki metallid, samuti keraamika. Siis avastati võimalus muuta metallide omadusi teiste elementide lisamisega. Erinevate materjalide arvukuse suurenemisele vaatamata langes valik aga tavaliselt ikka tuntumate kasuks ning seda tehti katse ja eksituse meetodil. Alles 20. sajandi keskpaigast on teadlaste arusaam materjalide struktuuri ja omaduste vahelisest sõltuvusest oluliselt paranenud. Eks materjaliteaduse ja inseneriasjanduse üks eesmärke olegi kavandada materjale just mingi kasutusvaldkonna tarvis. Tulemusena on näiteks uute tehnoloogiate rakendamine metallurgias võimaldanud 20. sajandil oluliselt parandada metallisulamite, sealhulgas teraste mehaanilisi omadusi ja töökindlust. Nii madala kvaliteediga terast, millest oli valmistatud 1912. aastal uppunud Titanic, ei toodeta enam aastakümneid. Muidugi ei saa materjali valikul või uue sünteesimisel mööda vaadata majanduslikust küljest. Ent seoses hinnaga tuleb sageli kompromissile minna.

Kompromissiks valmis

Tehnikas kasutatavaid materjale liigitatakse lähtuvalt nende atomaarsest struktuurist metallideks, keraamilisteks materjalideks ja polümeerideks. Lisaks nendele eristatakse komposiitmaterjale ehk komposiite, pooljuht- ja biomaterjale. Komposiidid on projekteeritud koostise, struktuuri ja omadustega materjalid enam kui ühe eelnimetatu baasil. Näiteks klaasplastid on keraamilis-polümeersed komposiidid, mille tugevuse tagavad klaaskiud, elastsuse aga polümeer. Pooljuhtmaterjale iseloomustavad omadused on elektrijuhtide ja isolaatorainete vahepealsed. Nende elektrilised omadused sõltuvad suurel määral lisandite üliväikestest kogustest. Pooljuhtideta poleks võimalikuks saanud revolutsioonilised arengud elektroonikas, päikeseenergeetikas ega arvutustehnikas. Inimkehaga sobivaid biomaterjale vajab omakorda meditsiin.

Vaatamata edusammudele materjaliteaduse ja -tehnoloogia valdkonnas, seisavad inseneridel ja materjaliteadlastel ees uued katsetused. Näiteks transporditehnikas on oluline kütusekulu vähendamine. See on saavutatav nii sõiduki massi vähendamise kui mootori kasuteguri tõstmise teel. Uusi, suure eritugevusega (suur tugevus väikese tiheduse juures) ja paraku seni veel kalleid kerematerjale rakendatakse juba võidusõiduautode ja -jalgrataste valmistamisel. Jätkuvad pingutused mootoriehituses sobivate keraamiliste materjalide väljatöötamiseks. Teine näide, millega tuleb kokku puutuda igasuguste materjalide väljatöötajatel ja kasutajatel, on seotud nende korduvkasutusega. See on üliaktuaalne nii ressursside ammenduvuse kui ka keskkonnakaitse seisukohalt. Nüüdisajal ei saa uuesti kasutada betooni, kallis on titaani korduvkasutus ja vaid osa plaste on võimalik uuteks toodeteks ümber töödelda. Samas paljude metallide, nagu terase ja malmi ümbertöötlemine enamasti probleeme ei tekita. Kindlasti on vaja uusi, keskkonda mitte reostavaid materjale ja tehnoloogiaid materjalide korduvkasutamiseks. Keskkonnakaitse seisukohalt on oluline olnud TTÜ materjalitehnika instituudi projekt koostöös Soome firmadega – uue konstruktsiooniga, suure eritugevusega titaankarbiidkermistest rehvinaastude tööstusliku tehnoloogia väljatöötamine. Uued rehvinaastud vähendavad suurusjärgu võrra teede kulumist ja sellega seotud kahju keskkonnale.


Skaala – makrost nanoni

Lisaks materjalitüüpidele ja nende omadustele eristatakse mõõtmete skaalasid, mille piirides käsitletakse kõike materjalidega seonduvat, nii struktuuri, omadusi kui ka tehnoloogiaid. Makroskaala on inimsilmale nähtav mõõtmete piirkond. Mikroskaala on optilise mikroskoobi abil nähtav ala ning nanotase tähendab mikroskaalast tuhat korda väiksemat mõõtmete piirkonda, alates nanomeetrist, st 0,000000001 meetrist. Mida väiksem on materjali nähtav piirkond, seda suuremaks muutub vaadeldava piirkonna pinna ja ruumala suhe. Selle tõttu materjali omadused nanomahtudes või üliväikestes mikro- või nanomõõtmetega konstruktsioonielementides on oluliselt erinevad vastavatest makroomadustest. Võtame näiteks klaastorud. Hakates neid ettevaatlikult painutama, puruneb esmalt sõrmejämedune toru, siis sellest järgmine – eelmisest veidi peenem jne. Kõige peenemat, mille läbimõõt jääb tunduvalt alla millimeetri, annab aga peaaegu et sõlme keerata. Mitmekihiliste nanomõõdus torudega on lugu täpselt vastupidi: esmalt puruneb seesmine, siis järgmine ning suurema läbimõõduga peab kõige paremini vastu. Seda ka juhul, kui pommitada nanotoru näiteks prootonitega. Seletus on üsna lihtne: pingestamata makrotorus on aatomite-molekulide tõmbe- ja tõukejõud ühtviisi tasakaalus. Nanotoru korral on aga aatomid seda suurema pinge all, mida väiksem on toru läbimõõt.

Materjalide tavalised füüsikalised omadused, nagu näiteks sulamistemperatuur, on makroskoopilisel tasemel üsna hästi määratletud ja seda kasutatakse sageli temperatuuri etalonina. Nanotasemel aga nii lihtne see enam ei ole. Hiljuti Saksamaal tehtud uuringud näitavad, et peenike umbes 30-nanomeetrine vasktraat, mille sulamistemperatuur on üle 1000 kraadi, on püsiv vaid kuni 400 kraadini. Üle 500-kraadise temperatuuri juures moodustavad säärased traadikesed vaid silindrikeste rea ja rohkem kui 600 kraadi juures muutuvad silindrikesed sfäärideks nagu tilgad. Materjali omadused on seega nanomõõtmetes tunduvalt erinevamad tavalistest, millega oleme kokku puutunud.

Nanostruktuursed materjalid mitte ainult ei asenda tulevikus paljudes valdkondades praeguseid, vaid võimaldavad valmistada põhimõtteliselt uute rakenduslike omadustega seadmeid ja konstruktsioone.

Et keraamiline materjal on kõva ja habras, teab lapski. Ka kuumutamisel on see peaaegu samasugune, vaid veidi õrnem. Kuid kõrgetel temperatuuridel, kui tera suurus on mõni nanomeeter, võib ka keraamiline materjal teatud temperatuuril voolata nagu mesi ning teda saab lähtepikkusest palju kordi pikemaks venitada. Sel juhul on materjal üliplastne. Sisuliselt oleks nagu tegemist osakestega, mille vahel on määre. Üliplastsusnähtus on tuntud ka mõnedel metallidel, näiteks niklil ja vasel. Tavaliselt kannatab pehme vasktraat pikemaks venitamist mõnedkümned protsendid, heal juhul rohkemgi. Tarvitseb vaid teha väike kriimustus ja sellest kohast katkeb traat kergesti. Üliplastses olekus materjal on peaaegu defektivaba ja voolab kaua, enne kui katkeb.

Ülipeeneteralisi ja nanostruktuurseid materjale on saanud uurida eeskätt unikaalsete aatomjõumikroskoopide ning tunnelmikroskoopidega. Ja seda ka Eestis. Vastavad uurimisvõimalused on olemas Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis, kus on konstrueeritud ja ehitatud vastavad mikroskoobid (tunnelmikroskoobist ja aatomjõumikroskoobist ning nendega tehtavate uuringute võimalustest oli põhjalikult juttu artiklis “Aatom nähtavaks!” Horisont 4/1999, lk 7–11). Ka Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteaduse instituut ja materjaliuuringute keskus rakendavad oma tegevuses skaneerivat elektronmikroskoopi. Nii on nüüdisaegsed mikroskoopia meetodid avardamas teadmisi deformatsiooni- ja purunemisprotsessidest keraamilis-metalsetes komposiitides nn kermistes ja nanostruktuurses vases.

Ülipeeneteralisi nanostruktuurseid kermiseid volframi, kroomi või titaankarbiidi baasil saadakse mehaaniliselt aktiveeritud sünteesi või reaktsioonpaagutust kasutades. Nanostruktuurse vase saamiseks on vajalik materjal allutada ülisuurele plastsele deformatsioonile.

Uurimused on näidanud sõltuvust tehnoloogilise protsessi ning sellest tingitud aine struktuuri ja mehaaniliste omaduste vahel. Nano- ja mikrotasandil tehtud uuringud on võimaldanud mõista kulumisprotsessi kui nähtust ning välja töötada isegi mõned uued materjalid ja materjalide valiku kriteeriumid erinevates kulumise ja mehaanilise koormamise tingimustes. Erilise tähelepanu all on TTÜ materjalitehnika instituudis olnud kulumiskindlad komposiitmaterjalid – karbiidkermised –, mis on leidnud rakendust metallide survetööriistade, sh väljalõikestantside, valmistamisel. Selliste miljoneid kroone maksvate stantside kuluvate tööosade valmistamisel rakendatakse uudset tehnoloogiat-survepaagutamist, mis tagab tööriista materjali defektivaba, kõrgendatud töökindlust garanteeriva struktuuri.


Naastrehvid ja triboloogia

TTÜ materjalitehnika instituudil on pikaajalised kogemused ka materjalide ja pinnete hõõrdumise ning kulumise uurimisel. Sellega seotud valdkond kannab nimetust triboloogia. Uurimisobjektiks on hõõrdumine, adhesioon, nakkumine ja kulumine. Niisiis uurib tribomaterjaliteadus purunemist ning pindmisi struktuurseid muutusi hõõrdumisel ja kulumisel.

Uuringutel on kasutatud peamiselt TTÜ-s projekteeritud ja valmistatud abrasiiv-, erosioon-, adhesioon-, hõõrdkulumise jne uurimiseks katseseadmeid. Viimati valmis seade materjalide abrasiiv-erosioonkulumise uurimiseks kõrgendatud temperatuuridel (kuni 600 °C). Uuringute tulemusena on täienenud andmepank tribomaterjalide kulumiskindluse kohta nii normaal- kui kõrgetel temperatuuridel.

Keraamilis-metalsed tribomaterjalid – karbiidkermised – leiavad rakendamist näiteks naastrehvide tootmisel. Tavaliste naastrehvide puudused on ju teada. Kõigepealt kulutavad nad teed, ja see on ka põhjus, miks paljudes maades on naastrehvid üldse ära keelatud. Sedasama soovitavad ka Eesti teede-spetsialistid. Teede sagedane remont on väga kallis. Soomlaste hinnangul kulub neil selleks miljardi euro ringis aastas. Teravaotsaliste naastude teine viga on see, et nad tekitavad müra ja kipuvad rehvist välja lipsama, pealegi ei hoia ära auto külglibisemisse sattumist. Just seetõttu on terve hulk ränkade tagajärgedega avariisid juhtunud. Soomlased on võtnud patendi uut tüüpi naastudele. Kui katsuda säärast naastudega rehvi käega, siis on ta täiesti sile, naastud ei ulatu üldsegi rehvi pinnast välja. Selliste tasanaastudega rehv teekattele kulutavat toimet ei avalda. Just nagu kassi käpad ei riku põrandat. Kui tekib külglibisemine, tulevad teravad naastuservad poolviltu rehvi seest välja nagu kassil, kes tahab kusagilt kinni haarata – antud juhul pistavad siis pehmetest käpakestest (loe: pealtnäha siledast rehvist) välja need “küüned”, mis haaravad kinni teepinnast. Aga kõik see toimub ainult siis, kui selleks on tõepoolest vajadus. Tavaolukorras tõmbuvad naastud kummi sisse ja ei kuluta teed ega tee müra. Lisaks on selliste naastrehvide eluiga tavalisega võrreldes kuni kolmandiku võrra pikem. Soomlaste patendile on sobiva materjali – optimaalse kulumiskindluse ja suure eritugevusega titaan-karbiidkermise välja töötanud Tallinna Tehnikaülikooli teadlased. Tootjatel on huvi asi käima lükata nii Eestis kui Hiinas.

Edu taganud koostööst

Tallinna-Tartu materjaliteadlastest uurimisrühma tegevust ühendavaks lüliks on eesmärk parendada tunnetuslikku arusaama materjali struktuuri moodustavatest protsessidest aine makro-, mikro- ja nanostruktuuridest põhjustatud omaduste vahel väga erinevate ainerühmade puhul. Ühisteks uurimisobjektideks on mitmesugused metallid ja mittemetallid ning nende ühendid. Selleks, et saada selgust tehnoloogiliste protsesside toime süvapõhjustest, ei piisa vaid valmismaterjali proovitüki keemilisest analüüsimisest. Vaja on süüvida osakestevaheliste vastastikmõjude

tasandile, kus tulevad mängu efektid, mis jäävad tööstuslikes materjalides esmapilgul nähtamatuks. Samuti tuleb vaadata neid objekte, mis tööstuse tarvis jäävad kaugeks, aga kus meid huvitav nähtus avaldub palju selgemalt. See aga tõstab uurimismetoodika väljatöötamise huvitavaks palju laiemale teadlasteringile – keemikutele, bioloogidele, meedikutele. Samas tuleb aga silmas pidada, et uurimistööd kulgevad kogu maailmas ideede ja nende realiseerimiseks vajalike võimaluste vastuolulistes tingimustes. Viimased kujundavad-määravad sageli ka teadustöö olemuse ja selle edukuse. Idee, millega lahendada konkreetne ülesanne, põrkub tihti kättesaamatute vahendite vastu. Need võivad osutuda kas liiga kalliteks, et osta, liiga aeglasteks, et ise välja töötada või liiga kaugeteks, et nende juurde minna. Siit saab alguse teadusevaenulik mõtteviis, kus loobutakse sellest, mis on huvitav ja kasulik ning suunatakse tähelepanu sinna, kus piisab kohapeal olemasolevatest ressurssidest, et midagigi ära teha. Sellega aga programmeeritakse sisse hiilgavast teadusideest alanud uudse lahenduse mahajäämus alus- ja rakendusuuringutest tootearenduseni. Arutlustes kolleegidega Põhjamaade ülikoolides-teadusparkides on välja koorunud arvamus, et kommertsiaalselt toodetud aparaadist moodustab vaid kümnendiku tegelik tootmishind, ülejäänu on väljatöötluse maksumus, selle juurde kuuluv know-how ja äri, mille osatähtsust ei või alahinnata. Kohapealne väljatöötlus aga loob veel ühe lisaväärtuse peale selle, mida vajatakse konkreetses uurimistöös: see koolitab kompetentse asjatundja, kellega koos jätkata uurimist.

Umbes 15 aastat tagasi viis õnnelik juhus Eesti füüsikud-tehnoloogid Rootsi, Lundi ülikooli eestlasest professori Indrek Martinsoni kaudu sealsete nanospetsialistide juurde. Kiiresti arenenud sidemed võimaldasid koostöös sealse nanokonsortsiumiga hakata orienteeruma Eestis seni tundmata tehnomaastikul. Juba mõne aasta pärast valmisid Eestis esimesed nanoseadmed: tunnel- ja aatomjõumikroskoobid. Viimaste õnnestumisele aitas kaasa Eesti tehnoloogiaagentuuri, tollase Eesti innovatsioonifondi toetus. Just tänu viimasele, TÜ spin-off väikefirma Maico Metriksi ning Rootsis ülikoolidest väljakasvanud firmadele nQuip ja Nanofactory Instruments õnnestusid esimesed väikeseeriatele aluse pannud prototüübid.

Materjaliuuringute käigus oli meil vaja selgust, kuidas nanoosakesed omavahel on seotud. Ühtlasi aitas see teadmine ka sügavuti mõista, kuidas teravikmikroskoop töötab. Selleks tuli viimane teha niivõrd väike, et tööprotsessi saaks jälgida elektronmikroskoobiga. Sisuliselt

tuli vähendada tunnel- või aatomjõumikroskoobi mõõtmeid nii väikeseks, et nad ületasid vaid veidi tuletiku läbimõõtu. Seejuures oli vajalik lähendada kahte teravikku mikromeetrilise täpsusega kõigis kolmes ruumimõõtmes, et seejärel alustada juba nanoliigutustega suurusjärkudes, kuhu kuuluvad aatomid. Vaatepilt videoklipil, kus on näha, kuidas atomaarsel tasemel tahke aine voolab kahe teraviku vahel, mis on teineteisest vaid kümmekonna aatomi kaugusel, kompenseerib kogu vaeva ja kulutused. Reaalselt on võimalik tõdeda, et kvantefektid pole vaid teoreetikute fantaasia. Näiteks ei kehti nanotraadi puhul enam Ohmi seadus. Tänu kvantomadustele pole voltamperkarakteristik sirge, vaid trepiline. Asendades aga ühe kontakti aatomjõumikroskoobi konsooliga, mille otsas on teravik, saame näha, kuidas mittekontaktne hõõrdumine läheb üle kontaktseks. Teravikke lähendades konsool paindub ja siis käib “klõps” ning teravikud hüppavad kokku. Nende lahtirebimiseks kulub aga “üksjagu” jõudu. Meie mõõtmiste tulemusel on selleks umbes üks nanonjuuton ühe aatomi kohta. Nende eksperimentide õnnestumise eest peame tänama oma kolleegi doktor Donats Ertsi Läti ülikoolist. Saadud tulemused on maiuspalaks teoreetikutele. Ukraina RTA materjaliprobleemide mnstituudi professor Vladimir Pokropivny ja Alex Pokropivny on oma arvutustega aidanud seletada mitmeid nanotasemel nähtud efekte. Teoreetiliste arvutuste järgi sai loodud videoklipp, kus on näha, et nii saab juhtuda, kui kontaktid vibreeruvad. Imeväike, mikromeetri sajandikes toimuv vibratsioon nanoteravikes on nagu maavärisemine, aga vaid aatomtasandil, purustab ja loob “mägesid-orge”.

Hiljuti töötati välja koostöös TÜ prgaanilise ja bioorgaanilise keemia instituudiga uudne materjal, mida on võimalik kasutada lähiväljamikroskoobi teravike valmistamiseks. Läbipaistev ja samaaegselt hea elektrijuhtivusega teravik avaks uued võimalused tunnelmikroskoopia baasil pinna spektraaluuringuteks. Senini on seda üritatud teha, kasutades helesinist looduslikku India teemanti, mille kõrge hind ja eriti veel selle töötlemise kallidus ei võimalda teemanti praktikas kasutada.

Valguse kui ühe uue dimensiooni lisamine nano-uurimismeetoditesse avab sootuks uued võimalused teravik-mikroskoopilisteks uuringuteks. Koostöös Max Plancki polümeeride instituudiga õnnestus hiljuti saada koos tunnel-mikroskoopilise topograafilise kujutisega samaaegselt peaaegu sama footon-kujutis teraviku luminestsentsi abil. Elseviere kirjastus soovitas tartlaste üht esimest tööd selles vallas nimetada pioneertööks. See võimaldab luua uut tüüpi tunnelmikroskoobi, millega peale pinna topograafia saab detekteerida aine koostist. Aineosakeste teravik-mikroskoopilistes uuringutes on eriline tähtsus pinnal, millel uuritav objekt asub või kuhu see kinnitatakse. Näiteks silmale paistab klaas siledamast siledam, teravikmikroskoobis on see aga kõrgmägede ja orgude kogum, milles nanoosakese leidmine on peaaegu võimatu.

Väljatöötatud meetodite kasutusõigus on üle antud litsentsilepingu alusel Eesti geenitehnoloogia firmale Asper Biotech. Uued meetodid võimaldavad nanouuringutes selgelt eristada aluspinna struktuuri ja uuritavat objekti.


Nüüd juba nanotriboloogia

Eespool rääkisime triboloogiast, aga üheks huvitavaks teadussuunaks, kus nanotehnoloogiat otseselt rakendatakse ja mis põhimõtteliselt võib kiiresti igapäevaelus kasutatavaid tulemusi saavutada, on nanotriboloogia. See on uus tehnika ja füüsika piirimail olev uurimissuund, kus selgitatakse nakkumise ehk teisisõnu – kleepumise, hõõrdumise, kulumise ja määrimise, keemilise aktiivsuse ning triboelektromagnetismi olemust nanostruktuursel tasandil. Üheks nanotriboloogia levinud uurimismeetodiks on skaneeriva nanoteraviku kasutamine ülaltoodud protsesside uurimiseks. Nanotriboloogia arengus on oluline mõistmine, et pindade hõõrdumisel on printsipiaalne tähtsus mikro- ja nanokontaktidel, mille üldpindala on tunduvalt väiksem hõõrduvate pindade pindalast. Ühtset hõõrdumise-kulumise teooriat, mis põhineks keemilise sideme aatommudelil ja elektron-foononprotsessidel, ei ole veel loodud. Pole isegi selge, kas libisemisel pinnad liiguvad ühtlaselt või seeriana diskreetsetest kleepumis-libisemisprotsessidest. Eelmises lõigus kirjeldatud nähtused on äratanud tähelepanu Euroopa nanotriboloogide hulgas. Koos kolleegidega paljudest Euroopa ülikoolidest on jõutud järeldusele, et lõhe nano-maailma ja reaalse tehnoloogilise protsessi vahel on olemas ning seda ei olegi alati tunnetuslikul tasemel kerge ületada. Tallinna Tehnikaülikoolis on juba kümmekond aastat püütud seletada kõvapulbrist ja pehmest metallist komposiitide omaduste ja nanostruktuuride vahelist seost, eriti hõõrdumise ja kulumise aspektist vaadatuna. Siiani pole ka päris ühtse arusaamani jõutud materjalitehnika instituudi teadlaskonnas.

Olgu öeldud, et kui pinnauuringu alal ilmub maailmas ligi 20 soliidset ajakirja kuus kokku umbes 1000 artikliga, siis pinnaaluste kohta ilmunud tööde arv on paar suurusjärku väiksem. Paljudel juhtudel on aga see, mis jääb pinna alla, määrava tähtsusega aine omaduste kujunemisel. Selgituseks tarvitseb vaid vaadata asfaldiauke teel. Kulumine ei toimu mitte ainult millimeeterhaaval pinnalt, vaid ka suurte lahmakatena. Aine sisemusse vaatamine kiht-kihilt lõikeid tehes ja hiljem arvutiga kokku monteerides on laialdaselt tuntud. Nanotasemel on aga olukord keerulisem. Kiht-kihilt aine eemaldamine on üsna lihtne nii mehaaniliselt, keemiliselt, termiliselt kui laserlõikamisega. Probleemiks saab aga sama pinnakoha ülesleidmine. Teravikmikroskoobi nõel on liiga õrn selleks, et jätta ta pinda täpset kohta hoidma töötleva protsessi meelevallas. Töötlemisprotsessi ajaks teraviku eemaldamine mõne sentimeetri kaugusele oligi probleemiks, mis meil õnnestus üsnagi hästi lahendada. Nimelt tuleb teravik asetada endisele kohale tagasi pinnale nanomeetrite suurusjärgus täpsusega ja seda vähemalt kümmekond korda järgemööda. (Parimate kuullaagrite täpsus on mõned suurusjärgud viletsam.) Siin tulid appi teadmised nanotriboloogiast. Nanotomograafiline meetod annab unikaalset informatsiooni aine ehituse ja struktuuri kohta, mille saamiseks mõnikord puuduvad alternatiivsed võimalused, eriti juhul, kui uuritava kihi paksus ongi vaid mikromeeter. Seda meetodit saab rakendada ka mitmetes teistes teadusuuringutes, mis rikastavad teadmisi fundamentaalsete seoste kohta aine struktuuri ja omaduste vahel. Siiski on see uus meetod alles roheline. Täpsema kujutise konstrueerimist segavad mitmed asjaolud. Näiteks pole esmane pind, mida koorima hakatakse, sugugi sile, järgmine kiht eemaldub ebaühtlase paksusega jne. Juhtub aga pinna sees olema tühimik, siis ei jää see keemiale ega laserile märkamata – söövitatakse ka tühimiku põhja jne. Seni pole loodud ka nii tarka arvutiprogrammi, mis oskaks üheselt monteerida järjestikustest mägede-orgude kujutistest ruumilise pildi. Sellele vaatamata saab aga selgust, et struktuuril on kihid, praod, kanalid, jälgida nende sümmeetriat jne.

Kuidas ja kuhu võib materjaliteadus edasi areneda ja millega Eesti teadlased siin oma sõna kaasa öelda saavad? Missugune on see õige tee, lahendamaks parimal viisil inimkonna vajadusi ning uurijate kasvavat uudishimu? Ühest vastust siin olla ei saagi. Vaevalt et tehnoloogia optimiseerimisega katse-vea meetodil midagi põrutavat sünnib. Teine võimalus on minna tunnetuslikult sügavuti ja lähtuda põhimõttest, et kõige praktilisem asi on hea teooria. On ka võimalus jätkata õpinguid loodusest, mis miljonite aastatega on katsetanud materjale ja konstruktsioone ning leidnud optimaalseima. Paljudele neist pole veel tehnoloogilisi analooge suudetud luua. Just see viimane pakubki uurijaile eriti ahvatlevaid väljakutseid. Samas aga tõrgub mõistus otsimast näiteks lahendusi loodusest, kus kõvasulamkomposiidid puuduvad. Vaid pool aastat tagasi ilmus ajakirjas CARBON (süsinik) teadustöö, kus uuriti võimalust kasutada puidu struktuuri uute keraamiliste materjalide loomiseks. Raku struktuuride jäljendamisega ülikõvadest materjalidest saadi hakkama Erlangeni ülikoolis Saksamaal. Lühidalt öeldes käib protsess nii.

Männipuit kuumutatakse pürolüüsil 800 kraadini nii, et ta söestub. Seejärel kastetakse süsi soola lahusesse, mida süsi imeb endasse nagu käsn. Seejärel lahus geelistatakse ja lahusti eemaldatakse vaakumis. Saadakse metalli oksiid puidu söestunud rakkude sees. Nüüd tõstetakse temperatuur 1600 kraadini ja oksiid taandub karbiidiks. Viimane ongi teemanti kõvadusest vaid veidi nõrgem. Nii on tehtud räni-, titaan-, ka zirkooniumkarbiidist “puitu”. Kui nüüd veel keraamilised tühimikud metalliga täita, saaksime “puidu”, millest sobiks teha näiteks klaasinuga. Selleni jõudmiseks on TÜ-TTÜ doktorandid valmis hulga higi valama.

TTÜ ja TÜ teadlaste tegevust toetavad Eestis sihtfinantseeritavad teemad: “Nanostruktuursed materjalid” (teema juht Arnold Rosenthal) ja “Kulumiskindlad materjalid ja kulumine” (teema juht Jakob Kübarsepp). Ühistöö on kooskõlastatud Eesti Teadusfondi grandiga “Erinevate materjalide ja kaitsekilede nanotriboloogilised uuringud”. Seoses temaatika laienemisega aine sisestruktuuride uurimise suunas ja uute tegijate liitumisega, eraldati TTÜ vanemteadur Irina Hussainovale teadusfondi grant “Kaasaegsete materjalide nanostruktuuri disain”. Lisaks sellele toetavad ja koordineerivad ühisuuringuid Euroopa Teadusfondi programm “Nanotriboloogia” (juhtkomitee liige Ants Lõhmus) ja COST P13 programm “Molsimu” (molekulaarsimulatsioonid, korraldava komitee liige Ants Lõhmus). Selliselt kooskõlastatud tegevusega on sisuliselt pandud alus Tallinna Tehnikaülikooli ja Tartu Ülikooli materjaliteaduse ühisuuringute laboratooriumile.

See, et osagi uutest väljatöötluste tulemustest rakendamist leiab, on väga oluline. Ära ei tohi unustada ka saadud kogemuste ja uute teadmiste tunnetuslikku väärtust. Nanostruktuurides lakkab mateeria olemast ainult aatomite ja molekulide stabiilne kogum ja iga aatom omandab individuaalse mõõtme, mis toob endaga kaasa kontseptuaalselt erineva lähenemise vajaduse, mis omakorda viib tunnetusliku maailmapildi uuele tasemele. Nanotehnoloogia olulisust tulevikus on teadvustanud endale nii Eesti teadlaskond kui ka laiem üldsus. Kuigi praegu leiab nanotehnoloogia Eesti majanduses vaid minimaalsel tasemel rakendamist, on tulevikule mõeldes oluline Eesti teadus- ja uurimisasutustes nanoteadusega aktiivselt edasi tegeleda, et olla valmis murranguks nanotehnoloogia laialdasel rakendamisel kõrgtehnoloogilises tööstuses. Juba olemasolev tase lubab edukalt osaleda nanoteaduste arengus ning kaasa aidata murrangu kujundamisele, kuid pidev ja laiaulatuslik töö on hädavajalik taseme säilitamiseks ja valmisoleku kindlustamiseks. Loodame, et sellele aitab igati kaasa ka käesoleval aastal loodud Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskus.



ANTS LÕHMUS (1944) on Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi madalate temperatuuride labori juhataja, füüsika-matemaatikakandidaat. Tegeleb nanouuringutega ja vastava aparatuuri konstrueerimisega aastast 1990.

JAKOB KÜBARSEPP (1947) on Tallinna Tehnikaülikooli õppeprorektor, tehnikadoktor, professor. Tegeleb pulbermaterjalide tehnoloogia ja triboloogiaga alates aastast 1975.



Ants Lõhmus, Jakob Kübarsepp