Aatomkihtsadestus lubab helgemat tulevikku nii tööstustele kui meditsiinile

  • 01.08.2017
  • Inseneeria
  • Facebooktwittergoogle_pluslinkedinmail
Aatomkihtsadestuse reaktor (Foto: Tartu Ülikool).

Ehted, nutitelefonid, hambaimplantaadid, autod, gaasiballoonid, lennumasinad, satelliidid – see on vaid väike loetelu asjadest, mida korrosioon igapäevaselt hävitada ähvardab. Ohus ei ole ainuüksi ettevõtete kasumid, vaid ka inimelud, kirjutab Inseneeria kaasautor Katre Tatrik.

Korrosiooni kirjeldamiseks kasutatakse sageli võrdlust vananemisega: kahju tekib aeglaselt ja sellest on kerge mööda vaadata seni, kuni terve süsteem üles ütleb. Erinevalt vananemisest, on inimkond õppinud korrosiooni tuntavalt aeglustama ning uute meetodite ja materjalide arendamine on jätkuvalt täies hoos.

Maailma auto-, lennuki- ja kosmosetööstus ning meditsiin loodavad korrosioonivastases võitluses uudsetele nanostruktuursetele komposiitkatetele, mis metalle keskkonnamõjude ees veelgi tõhusamalt kaitseksid ja organismi viies sellega koostööd teeksid.

Nanokomposiitseid katteid, sealhulgas imeõhukesi – juuksekarvast tuhandeid kordi õhemaid – kaitsekilesid kantakse nii suurtele kui ka väga väikestele detailidele aatomkihtsadestuse meetodil. Aatomkihtsadestusega saab aatomitest n-ö kokku laduda soovitud koostise ja struktuuriga materjale ilma, et need eseme mõõtmeid oluliselt muudaksid. Sellised kaitsekatted võivad pikendada eri metallisulamite kasutusiga seniste katetega võrreldes palju kordi.

Eesti teadlaste panus

Kõrgtehnoloogiliste korrosiooni pärssivate kaitsekatete arendamisega ja aatomkihtsadestuse rakendamisega on pikalt tegeletud ka Eestis ning teadlased on jõudnud juba ka väga praktiliste rakendusteni. Näiteks on üks suur rahvusvaheline gaasifirma muutmas oma gaasiballoone korrosioonikindlamaks Tartu Ülikooli kiletehnoloogide ja füüsikute-keemikute arendatud aatomkihtsadestusel põhineva seadme ja kaitsekatte abil.

Väino Sammelselja, Jaan ja Lauri Aariku konstrueeritud ning aastaid testitud aatomkihtsadestuse reaktori järgi ehitatud tööstuslik versioon võimaldab gaasiballoonid muuta korrosioonikindlamaks ja säilitada seeläbi eri koostisega gaasisegusid balloonis pikka aega muutumatult.

Samuti lõi professor Sammelselg koos materjaliteaduse doktorantide Lauri Aariku ja Maido Merisaluga aatomkihtsadestuse abil täiesti uudse kaitsekatte materjali anodeeritavatele metallidele, mis on juba patenteeritud Ühendkuningriigis ning on patenteerimisel üle kogu maailma. Selle kaitsekatte katsetamist kosmosetingimustes valmistab Sammelselja töörühm koos Maido spin-off-ettevõttega Captain Corrosion ette juba pea aasta ning sellekohane eksperiment kavatsetakse läbi viia järgmisel aastal tudengisatelliidil ESTCube-2. Teadupärast on korrosioon kosmoses palju keerukam ja kahjutekitavam probleem kui esmapilgul arvata võib.

Aatomkihthaaval saab kokku laduda ka mälumaterjale ehk elemente, mis muudavad praegu kasutusel olevad nutiseadmed veelgi nutikamaks.

Tartu Ülikoolis tegeleb nende arendamisega näiteks materjaliteaduse doktorant Kristjan Kalam uurija-professor Kaupo Kukli ja vanemteadur Aile Tamme juhendamisel.

Üks aatomkihtsadestuse abil loodud ja Tartu Ülikoolis igakülgselt uuritud mäluelement on näiteks hafniumoksiid, mida maailma üks suurimaid mikroprotsessorite tootjaid Intel kasutab oma mikrokiipides dielektrikuna juba kümmekond aastat.

Mis on aatomkihtsadestus?

Aatomkihtsadestuse meetodi patenteerisid Soome teadlased 1970. aastate keskel. Kümmekond aastat hiljem tõid meetodi Eestisse Tartu Ülikooli vanemteadur Aleks Aidla ja professor Jaan Aarik.

Jaan Aarik ja Aleks Aidla ehitasid esimesed aatomkihtsadestuse reaktorid Tartu Ülikooli laboris 1980. aastatel. Mõni aasta hiljem liitus nende uuringutega ka Väino Sammelselg tolleaegsest ETA Füüsika Instituudist, aidates karakteriseerida kasvatatud nanokilesid.

Aastal 2008 taasalustas Sammelselg, kes on kuulunud ka maailma ühe protsendi enim tsiteeritud materjaliteadlaste hulka, Tartu Ülikoolis korrosiooniuuringud. Ta lõi rahvusvahelise haardega uurimisrühma, mille eesmärk on pakkuda tööstuslikke rakendusi nii Eesti kui Euroopa ettevõtetele.

Töörühmas arendab uudseid lahendusi hulk noori teadlasi, ka Maido Merisalu, kes on juurutanud mitmeid elektrokeemilisi analüüsi- ja uurimismeetodeid ning on ka aatomkihtsadestuse meetodit ning selle võimalusi järjepidevalt populariseerinud.

Aatomkihtsadestamise protsessis juhitakse eri lähteained objekti pinnale. Ained reageerivad kaetaval pinnal, mille temperatuur on tõstetud vajaliku tasemeni. Lähteainete liig- ja reaktsiooni kõrvalproduktid puhutakse seadmest välja, see teeb kokku ühe sadestustsükli. Tavaliselt moodustub objekti pinnal monomolekulaarne ainekiht kahe-kolme tsükli jooksul. Protsessi korratakse vastavalt sellele, kui paksu katet on tarvis valmistada.

Sellise protsessi tulemusena valmivad vaid mõne kuni mõnekümne nanomeetri paksused kihid. Võrdluseks – silmaga veel nähtava juuksekarva paksus on keskmiselt 70 mikromeetrit. Kui üks mikromeeter jagada tuhandega, ongi tulemuseks nanomeeter ning nii väikesel skaalal objekte inimese silmad enam loomulikult ei erista.

Selliste kihtide uurimiseks kasutavad Tartu materjaliteadlased kõrg- ja ülikõrglahutusega elektronmikroskoope.

 

 

Tartu Ülikooli materjaliteadlased toetavad Saksamaa suurfirma innovatsiooni

Maailma üks suurimaid gaasifirmasid Linde AG, mida Balti riikides ja Põhjamaades esindab tütarettevõte AGA, ehitab Tartu Ülikooli kiletehnoloogide loodud prototüübi järgi tööstusliku katseseadme, et muuta oma gaasiballoonid korrosioonikindlamaks. Linde tarnib nii tööstuses kui meditsiinis ja keskkonnamõõtmistel vajaminevaid gaase, inertgaase teaduslaboritele ja mitmeid erilisi ülitäpse koostisega gaasisegusid. Kuna suur hulk gaase söövitab metalle ehk need tekitavad roostet, tuleb gaaside transportimiseks ja hoiustamiseks kasutada eriteraseid või kalleid alumiiniummaterjale. Sellest odavam alternatiiv on katta gaasiballoonide sisepinnad üliõhukese nanomaterjaliga, mis korrosiooni olulisel määral vähendab.

Probleem on aga selles, et gaasiballoonid on suletud ruumid – neil on ainult üks väike ava –, mis muudab nende sisemusele ligipääsu väga raskes. Lisatud kate ei tohi muuta ka anuma materjali omadusi ega mõjutada selle sees olevat ülitäpset gaasisegu ning peab vastu pidama kohustuslikele perioodilistele survetestidele. Just selliste tingimuste korral tulebki kasuks Tartu Ülikooli materjaliteadlaste loodud aatomkihtsadestuse reaktor.

Saksa gaasifirma Linde on esimene, kes balloonide töötlemiseks tartlaste aatomkihtsadestuse seadet tootmises testib, kuid sarnane lahendus võib kasulikuks osutuda teistelegi korrosiooniga kimpus olevatele ettevõtetele, sealhulgas nii lennunduses kui meditsiinis.

(www.ut.ee/et/uudised)