Klassikaliselt on materjaliteadus toetunud kolmele alussambale: füüsika, keemia ja matemaatika. Aina enam otsivad materjaliteadlased inspiratsiooni elusloodusest. Kuidas luua elusaid materjale? Kas teadus pakub lahendust jäätmemurele? Miks tuleb klassikalise keemia ja füüsika kõrval õpetada materjaliteadust?
Kõigest sellest on Tartu ülikooli rakendusliku materjaliteaduse professori Tarmo Tammega vestelnud Horisondi toimetaja Piret Pappel. (Intervjueeritava palvel läksime kohe alguses üle sina peale – P. P.) Laboris käis pildistamas Lauri Kulpsoo.
Sündinud 31. juulil 1974 Tartus. Lõpetanud Tartu II keskkooli (praegu M. Härma gümnaasium) 1992. aastal; õppinud keemiat Tartu ülikoolis, kaitsnud seal magistri- ja doktoritöö (2003) polüpürrooli kvantkeemilise modelleerimise teemal.
Töötanud eri ametikohtadel Tartu ülikoolis ja Tallinna tehnikaülikoolis, samuti aktsiaseltsides Molcode ja Genecode.
2008–2020 TÜ tehnoloogiainstituudis materjaliteaduse vanemteadur; sama instituudi materjaliteadusekaasprofessor 2021–2023 ja alates 2023. aasta septembrist rakendusliku materjaliteaduse professor, ühtlasi tehnika ja tehnoloogia doktoriprogrammi juht.
Üle saja kõrgeima kategooria (1.1) teadusartikli ja ühe patendi autor. Uurinud peamiselt eluslooduse ja materjalide interaktsioone, samuti teiseste toormete väärindamist. Arendustöö on paljuski rakendusliku iseloomuga, pakkudes lahendusi Eesti ettevõtete tehnoloogilistele ja materjaliteaduse probleemidele. Hinnatud õppejõud (tänavu instituudi aasta õppejõud), loeb mitmesuguseid materjalidega seotud kursusi ja juhendab kõigi astmete üliõpilasi.
Nelja lapse isa.
Kuidas sa teaduse juurde jõudsid?
Ühte kindlat põhjust on raske esile tuua. Olen kolmandat põlve õppejõud. Minu vanaisa oli (mikrobioloog ja biokeemik – P. P. )Vello Tohver, kelle üldise biokeemia õpik on väga tuntud. Mulle on lapsest saati alati meeldinud aru saada, kuidas asjad töötavad. Mitte lihtsalt, kuidas töötab näiteks triikraud, vaid hoopis keerulisemad protsessid: kuidas tekib vikerkaar või toimib fotosüntees. See huvi pole kusagile kadunud.. Siiani ei tegele ma süvitsi mitte ainult ühe asjaga, vaid osalen paljudes mitmekesistes projektides. Nii saab aidata inimestel eri probleeme lahendada, aga laieneb ka enda silmaring. Eriti mõnus tunne on siis, kui keegi teine saab asjadest aru. Kui tuleb ebamäärase pilguga tudeng, siis seletad, ja näed, nagu tuli läheks põlema.
Kas sul selle kõige kõrvalt jääb ka vaba aega?
Vaba ajaga tuleb teadlikult tegeleda. Mul on seda tüüpi töö, mis ei kao kusagile. Vahel tulevad kõige paremad mõtted pähe koju jalutades. Seega tulebki puhkamiseks eraldi aega võtta. Mulle meeldib liikuda ja looduses viibida. Tavaliselt on fotokaamera kaasas, aga ega ma seda alati kotist välja võtagi. Võimaluse korral teen sporti. Üritan lugeda, eelkõige psühholoogia kohta. Ja olen hakanud natukene pilli mängima. Igal nädalal ei leia selleks aega, aga täna hommikul ei olnud kiire. Mängisingi viisteist minutit kitarri.
Puutöö on ka lapsest saati väga armas olnud. Selle jaoks ei ole mul veel õiget aega ega kohta tekkinud, aga lastele olen pannud ühe kirjutuslaua kokku. Olen aru saanud, et peab tegelema asjadega, mis meeldisid lapsepõlves: siis, kui inimene ei ole veel ühiskonna tugeva mõju all. Need on puhtad mõtted, lapsepõlve meenutades saad aru, mis kõige rohkem rõõmu pakub. Aga õnneks olen mõistnud, et ka minu töö on ka üks neist rõõmudest.
Kui puutöö meeldib, kas sellepärast ongi üks uurimisteemadest tselluloos?
See teema on lihtsalt huvitav. Tselluloos on ju maailmas kõige enam levinud polümeer.
Kas te uurite siin majas ka teisi puidu koostisosi, näiteks ligniini?
Ligniin on hästi huvitav. Keeruline polümeer. Teen loengus nalja, näitan selle struktuuri üliõpilastele ja ütlen, et see on selline puuslik, vaadake ette!
Otseselt me ligniiniga ei tegele, aga proovime ühes uurimisprojektis kasutada puitu kui tervikut ehk töödelda tselluloosi ja ligniini koos. See ongi üks valdkond, millega tuleb järjest rohkem kursis olla. Eriti, kui see puudutab jäätmete väärindamist.
Kui lagundada kõik algseteks molekulideks, on energiakulu väga suur. Näiteks tekstiilijääkides on tihti mitu polümeeri koos. Ilmub küll teadusartikleid, kus kinnitatakse, et lagundamisprotsess toimub nullenergiakuluga, aga tõenäoliselt on alati tegemist ilustatud tellimustööga. Kui ei pea komponente eraldama, siis on kokkuhoid alati palju suurem.
Üks asi, mis mind kõnetab ja mille poole Euroopas üha rohkem liigutakse, on see, et tootja vastutab oma tootmisprotsessi ja jäätmekäitluse eest. Kohapeal tekkinud jäätmete korral on teada nende koostis, need on puhtad. Tüüpiline olukord on see, et viime jäätmed minema. Heal juhul veame need teise Eesti otsa, kehvemal juhul teise Euroopa riiki või hoopis mujale maailma. See tähendab energiakulu. Siis segame need viiest või viiekümnest allikast pärit jäätmed kokku, nende kvaliteet on erinev ja enam ei saa neid efektiivselt ära kasutada. Üritame liikuda selles suunas, et jäätmeid saaks ümber töötada tekkekohale võimalikult ligidal. Skandinaavia on rohelise mõtlemise poolest meist eespool. Seal vaadatakse palju rohkem, kas äripartner on tasemel, kas ta hoolib nii oma inimestest kui ka keskkonnast.
Soomlased otsivad võimalusi töötada ümber igasuguseid tekstiilmaterjale, näiteks viskoosi.
Seda saadakse samuti tselluloosist. Minu unistus on saada süsinik ringest välja sellega, et me utiliseerime tekstiili- ja ka põllumajandusjäätmeid. Väidetavalt on kanep meie kliimavöötmes üks kõige kiiremini süsinikku siduvaid taimi. Eestis kasutatakse ära kanepiseemned, kuid suurem osa kanepiluumassist läheb lihtsalt hunnikusse lagunemist ootama. Kui teeks sellest ehitusmaterjali, paneks viiekümneks või sajaks aastaks majaseina, oleks see mass kogu selle aja süsinikuringest väljas.
Kõikvõimalikud tekstiilidega seotud jäägid ja nende väärindamine eri viisidel on üks meie praeguse uurimistegevuse nurgakivi. Jälle sama jutt, aga tekstiili põhiprobleem on segakiud. Eraldamine on energiamahukas ja võib tekitada saastet. Aga lahenduste otsimisega tuleb tegeleda. Jalgpalli MMi ajal ringlesid pildid kõrbes vedelevatest riidejääkidest. Ja need ilmselt jäävadki sinna, ilmselt isegi ei biolagune või siis ülimalt aeglaselt.
Eestis oleme olnud tarbimisfaasis pärast seda, kui olime vaesed ja meil ei olnud midagi. Nüüd saame aru, et liigne tarbimine on ohtlik.
See probleem on peidetud, me ei näe neid äravisatud asjade hunnikuid. Palju on rohepesu ja lihtsalt müra. Olen võtnud oma südameasjaks vähendada keskkonnateemalist müra, proovida inimesi harida ja teha selgeks, mis lahendused toimivad ja mis on lihtsalt ilusad lubadused. Inimesed usuvad igasuguseid asju, et südametunnistuspiinu vähendada.
Materjaliteaduse teemadest pisut mööda minnes tuleb öelda, et meie kõigi jaoks on olemas üks käega katsutav lahendus: tuleb lihtsalt vähem tarbida. Loota, et hoopis teadus leiab jäätmekriisile kiire ja tõhusa väljapääsu, on viisakalt öeldes utopistlik.
Üks väga põnev teadusprojekt on teil seotud tulekindlate vahtudega. Saan aru, et need uued materjalid on mõeldud selleks, et huligaanid ei saaks bussiistmeid põlema panna.
Buss võib ka liiklusõnnetuses põlema minna. See teema algas Euroopa Liidu õigusaktist ja sedapuhku on tegemist väga vajaliku seadusega. Olukorras, kus mingist põlevast ruumist, nagu kontserdisaalist või siis sõidukist, ei pääse kergesti välja, saab enamik inimesi mürgistuse. Nad ei hukku põletushaavade tõttu, vaid hingavad sisse põlemisel tekkivaid mürgiseid gaase.
Toole polsterdatakse enamasti porolooniga. See on vahtpolüuretaan, elastne, hästi tuntud materjal, odav. Ühesõnaga, super. Aga kui see põleb, siis eralduvad mürgist tsüanorühma sisaldavaid kemikaalid. Poroloon süttib ja põleb juba väga madalal temperatuuril, isegi alla 300 Celsiuse kraadi. Kui kodus diivan põlema läheb, siis olge ettevaatlikud ja kutsuge parem professionaalsed tuletõrjujad appi.
Euroopa Liit on sätestanud nõuded, millele peab istmematerjal vastama. Tavapärane puhas polüuretaan selleks enam ei sobi. Määrus jõustus kaks aastat tagasi, aga head porolooni alternatiivi ei olnud. Oskame küll materjale tulekindlamaks teha, sobivate lisanditega suurendame süttimistemperatuuri umbes 300 kraadilt näiteks 400 kraadini. See ei ole fundamentaalne lahendus, oht jääb endiselt alles: kui iste süttib, siis tekivad mürgised gaasid.
Ettevõte, kes meid üles otsis, sooviski, et me leiaks parema lahenduse. Kuna suur osa plaste ja polümeere siiski põleb, jõudsime ringiga silikooni juurde. Silikooni molekuli peaahelas on vaheldumisi räni ja hapnik, selle põhiline põlemissaadus on liiv, natuke tekib ka süsihappegaasi ja veeauru. Lisaks takistab tekkiv tihe tuhakiht edasist põlemist.
Alustasime tööd päris nullist, sest tahtsime teha paksus kihis vormitavat vahtu. Silikoonist tehakse küll vahtu, aga õhukese rullmaterjalina, sellest on kehv polstrit lõigata, palju läheks kaotsi. Pealegi ei saa seda taaskasutada, see pole biolagunev. Majanduslikus ja keskkonnavaates seega ebamõistlik.
Katseklaasis nullist pihta hakates sai selgeks, et paksu vahtu on tõepoolest võimalik teha.
Seejärel töötasime välja tehnoloogia, kuidas seda toota suuremas koguses. Alguses tegime ju põlve otsas ja natuke, aga tehas tahab saada materjali tonnide kaupa. Selle jaoks on meil tehnoloogiainstituudis olemas mehaanika- ja elektroonikainsenerid, ka robootikapädevus. Nad tulid appi ja tegid masina, millega seda vahtu toota.
Omaette probleem oli see, millega katta pinnad: silikoon jääb ju kergesti metalli külge kinni. Kuidas kaitsta pindu, kuidas segada, mis temperatuuril ja mis kiirusel? See oli puhas tehnoloogiaarendus ja masina prototüüpe valmis päris mitu. Praegu ongi pooleli ainult tehasekatsetused ja seejärel võiks tootmine alata.
Muidugi laienes uurimisprojekt veelgi, sest ühel tehase kliendil tekkis küsimus, kuidas on lood uue materjali mikroobivastaste omadustega: kas sellel vahul hakkavad bakterid kasvama või ei? Ütlesime ausalt, et me ei tea, ja sellest tekkis uus teadusprojekt, mille tulemusel saime teada, et omadused sarnanevad paljuski poroloonide omadele. Peale selle uurisime, kuidas käituvad uuel materjalil need antibakteriaalsed lisandid, mida tavapäraselt kasutatakse.
Leidsime lisandid, mis toimivad, ja need, mis ei toimi. Selles mõttes on see väga õpetlik lugu. Interdistsiplinaarne, kokku said päris elu vajadused ja uued materjalid.
Räägime nüüd biomaterjalidest. Siin instituudis tehakse selles vallas põnevat teadustööd.
Jah, meid huvitab see, kuidas materjalid ja loodus omavahel suhestuvad. See teema puudutab meditsiini – implantaate, proteese, ravimi manustamist – ja ka prügimägesid, biolagunemist ning biotootmist.
Kui rääkida efektiivsusest ja keskkonnasõbralikkusest, siis traditsiooniline keemiatööstus ei paista kummagi poolest silma. Kui suudame tootmise viia rakkudesse, kasvatada neid mingis anumas, siis saame soovitud aineid rohkem ja tekib ka vähem jääke. Aga enamik sellistest rakkudest on geenmuundatud, pärast bioreaktori avamist tuleb need hävitada, et nad ei satuks keskkonda.
Meie idee on luua selline materjal, mille sees on rakud ja mida saaks korduvalt kasutada. Eri rakud, olgu siis pärmid, bakterid, seened või vetikad, võiksid tegutseda ühes materjalis koos, nii et tekib omamoodi kaskaad: ühed rakud toodavad mingit ainet, mida kasutavad järgmised, ja lõpuks on valmis näiteks mingi ravim..
Sellistel materjalidel on veel üks eelis: neid saab külmkuivatatuna säilitada aastaid. Kui vaja, siis paned selle lihtsalt sobivasse lahusesse ja hakkad kasutama.
Nagu puljongikuubik.
Põhimõtteliselt. Aga teeb sulle mingit ravimit või muud vajalikku ainet, mida on hädasti tarvis. Ja mitte kogu aeg, vaid siis, kui on vaja. Räägitakse koloonia loomisest Marsile. Sinna oleks neid mugav kaasa võtta: kerged ja kannatavad pika kosmosereisi ära. See, kuidas rakud materjali mõjutavad, on väga põnev ja tuleb välja, et ka materjal mõjutab selles olevaid rakke. Muidugi mõjutavad ka rakud materjali. Siin on veel väga palju uurida. Ka praegused materjalid, mida me siin oleme kasutanud, on kaugel sellest, et neid saaks püsivalt rakkude elukeskkonnaks kasutada. Iga materjal selleks ei sobi. Terase sisse me rakke panna ei saa, aga neile sobivaid polümeergeele oskame teha. Need kipuvad küll olema mehaaniliselt liiga nõrgad, et rakke saaks seal pikalt hoida. Nad murravad sealt lihtsalt välja.
Lisaks peab materjal olema piisavalt hõre, et rakud saaks toitaineid ja vajaduse korral hapnikku ja et nad oma elutegevuse jääkide sisse ei sureks.
Kuidas teada saada, kas rakkudel läheb katsetatavas materjalis hästi või on nad näljas?
Siin on eri võimalusi. Kromotograafiga saab uurida, mis aineid koekultuur toodab.
Vaatame ka elektronmikroskoobiga, kasutame superkriitilist süsinikdioksiidi ekstraheerimist, et jätta proov võimalikult terveks, näha selle struktuuri. Nii saab tulemust õigesti interpreteerida. Väga lihtne on ju luua teooria kogemata ainult artefakti põhjal. Plaanis on hakata uurima, kuidas materjalis elamine rakkude stressi mõjutab.
Kas kõik see on alles arendusfaasis või on mingisugune elusa materjali tehnoloogia juba päriselt kasutusel?
Ei ole kuulnud, et selliseid materjale päriselt kasutatakse. Bioreaktorid on olemas. Californias on väga pikk biosünteesitraditsioon, seal rakendatakse klassikalisi reaktoreid, kus bakterid pannakse erilisse nõusse, teevad seal oma tööd ning pärast hävitatakse. Ka meditsiinis kasutatakse rakke näiteks implantaatide korral. Aga ma ei tea, et oleks selline reaktsioonikaskaad, mis annaks meile tööstuslikult mingi aine, toote. Elusa materjali vaatenurk on väga uus ja sellele pööratakse nüüd rohkesti tähelepanu.
Intervjuud kokku leppides rääkisime, et klassikaliselt on materjaliteadus toetunud keemiale, füüsikale ja matemaatikale. Nüüd on lisandunud neljas sammas, bioloogia. Miks peab materjaliteadust eraldi õpetama?
Siin peab nüüd mõtlema sellele, et juurde on vaja panna veel üks sammas, raha. Aineid on ju igasuguseid, aga materjal on see, mida me päriselt kasutame. See on millegi jaoks hea, efektiivne. Räägime, et mingi materjal on parem kui teised. Võime arvestada energiakulu, süsihappegaasisäästu, elukaart. Kõik taandub ikkagi sellele, et see materjal on odavam. Kosmosetehnoloogias, meditsiinis ja sõjanduses huvitab rahakulu meid natuke vähem, aga hind on siiski oluline. Materjaliteadlane ei pruugi olla täiuslik füüsika- või keemiaekspert, aga ta oskab analüüsida näiteks materjali elukaart ja mehaanilisi omadusi, mida keemik ei oska kohe esimese hooga hinnata. Matemaatika jookseb risti-põiki läbi, sest kasutame väga palju simulatsioone. Materjaliteaduse vaatenurk on väga praktiline. Muidugi tehakse ka alusuuringuid, aga eesmärk pole avastada uut loodusseadust, vaid luua midagi, millel on kasutusväärtus.
Ja siis lisanduvad veel pehmed aspektid, mille kohta me ka üliõpilastele järjest rohkem teadmisi anname. Kuidas materjali disainida, et luua esemeid, mida inimestele meeldib kasutada. Kusjuures ei saa lähtuda ainult kommertshuvist. Kui tahame pakkuda keskkonnasõbralikumat lahendust, siis see ei tohi olla inimesele ebameeldiv. Peab arvestama kõike, alates sellest, mis häält materjal teeb ja kuidas see käes tundub, on see soe või külm, pehme või jäik.
Millegipärast meenusid kohe uued pudelikorgid, mida kirutakse.
Arvestades seda, et meil ei jõua kõik pudelid taaskasutusse, on see võib-olla tõesti üks näide, kus taheti parimat, aga päris nii ei läinud. Mina vaatan seda energiakulu nurga alt. Tootmine oli vaja ümber korraldada, et neid uusi pudeleid teha. Ilmselt oleks efektiivsemaid viise, kuidas plasti keskkonnamõju vähendada.
Samas on pudelikorgid probleem. Olen aru saanud, et mereprügist hõlmavad korgid suure osa.
Jah, need jõuavad igale poole. Kork ise on ju tugev ja püsib kaua. Võib-olla oleks lahendus mõelda mingi teise materjali peale. Kindel on see, et me võime teha igasuguseid materjale ja ka seadusi, aga kui inimene neid ei omaks ei võta, siis asi ei toimi. Keskkonnasõbralik alternatiiv ei tohi olla ebamugav. See tekitab trotsi.
Lahendused peavad olema terviklikud. Teeme mingi supermaterjali valmis, aga kui see ei jõua ühiskonnani või serveerivad poliitikud uuendust valesti, võib see hakata iseendale vastu töötama. Ei saa vaadelda ainult füüsika või materjaliteaduse mätta otsast, tuleb kaasata ka psühholoogid uurimaks, kuidas inimestele uusi lahendusi pakkuda. Peame koostööd tegema, et neid muutusi teha. Ja kõik algab muidugi tarbimise vähendamisest.
Kas teed poliitikute ja seadusandjatega koostööd, jälgid, mis toimub?
See on tulevikumuusika, aga oleme kontaktis ühe ettevõtjaga, kes soovib vähendada toiduainete äraviskamist. Siin on tõesti seadused risti-põiki jalus. Kuupäev kukub ja seadus ütleb, et pood ei tohi toitu enam müüa. Meil võiks olla nutikad pakendid, mis jälgivad, mis toiduga toimub, ja annavad märku, kui see päriselt hakkab riknema. Nüüd ongi küsimus, kuidas seda seadusandlikult lahendada.
Probleem on eriti suur kalli toidukaubaga, nagu loomaliha, millel on ka hiiglaslik süsinikujalajälg. See on hästi oluline teema. Räägime sellest, et maailmas on toidupuudus, aga samal ajal viskame suure süsinikujalajäljega toitu minema lihtsalt sellepärast, et peab, igaks juhuks. See asi ei istu mulle kuidagi.
Saame ju määrata, kas õhukindlasse pakendisse on pääsenud hapnikku, mida seal ei tohiks olla. Või vastupidi, liha puhul saame vaadata, kas seal on endiselt hapnikku. Kala puhul saame otsida lagunemisele viitavaid lämmastikuühendeid.
Neid andureid ei saa panna odavale laiatarbetootele, see teeks toidukauba tunduvalt kallimaks, aga neid võiks panna luksuskaubale ja eriti sellistele toodetele, millel on suur keskkonnamõju. See ei lahendaks kõiki toiduraiskamisega seotud muresid, kuid viiks meid sammukese õiges suunas edasi.
Plastpakendi kohta olen mõelnud, et plastireostus on kohutav, aga toiduhügieeni koha pealt teevad need pakendid ka palju head.
Ei tasu arvata, et lõpetame plastide kasutamise lähiajal ära. Seda ei juhtu. Plastid pakuvad selliseid võimalusi, mida varem ei olnud. Nüüd tuleb plastikasutus muuta lihtsalt nii palju mõistlikumaks kui võimalik.
Tagajärgede ehk jäätmetega tuleb ka rohkem tegeleda.
Alustada tuleb sellest, et mõelda tõelistele alternatiividele. Maisist polüetüleenkile, mis laguneb keskkonnas samamoodi kui naftast tehtud polüetüleen, pole ju see. Võib-olla kulus selle maisipõllu kündmiseks rohkem diiselkütust, kui oleks kulunud naftat toorainena. Sellist vale ettekujutuse loomist peaks iga hinnaga vältima.
Kas on mingi keskkonnameede, millest on päriselt kasu, mis ei ole rohepesu või mõeldud inimeste südametunnistuse kergendamiseks?
Euroopas kindlasti on, Eestis kipub meil mastaabi tõttu natukene vähem olema. Kui sa ostad Rootsis või Taanis tavalise tetrapakiga piima, siis see pakk läheb seal tagasi tehasesse ja need materjalid võetakse uuesti kasutusse. Meie pakid sinna ei jõua. Aga sellised lahendused on olemas ja neid tuleb ilmselt järjest juurde. Kõik nad ootavad mastaabiefekti, Soomes sorteerib prügi spektromeetriga automaat, mis jaotab eri materjalid ilusti ära. Meil teevad seda inimesed.