Miks mõned praod just nii kulgevad?

Autorid Jakob Jõgi ja Martin Järvekülg TÜ Füüsika Instituudist

Materjalide pragunemine on protsess, mida võib märgata praktiliselt kõikjal meie ümber: klaasi purunemine mehaanilise pinge tõttu, puidu ja muda pragunemine kuivamisel, laava mõranemine jahtumisel. Tegemist on keeruka nähtusega, mis sõltub nii mater­jalide omadustest, struktuurist kui ka pragunemise mehhanismist.

Metallide (Hf, Zr, Ti) alkoksiidide geelkile [1] omapärase pragunemise ja rullumise nähtuse avastas 2005. aastal bakalau­reusetöö [2] raames katseid teinud Martin Järvekülg. Viskoossel alusel moodustunud mõnesaja nanomeetri paksuse geelkile pragunemise järel moodustuvad kilefragmentidest iseorganiseerunult toruks rullunud struktuurid (joonis 1). Saadud oksiidmaterjalid on kõvad, keemiliselt inertsed, head elektri- ja soojusisolaatorid, bioühilduvad (TiO₂); ning seetõttu potentsiaalselt rakendatavad nii lõiketerade ja biomaterjalide kui ka kosmosesüstiku osade valmistamiseks.

Modelleerimise seisukohast on geelkile pragunemine välja­kutsuv, kuna lisaks kuivamisele toimuvad materjalis ka keemilised muutused (mis omakorda mõjutavad kuivamise kiirust) ning erinevalt varasematest pragunemistöödest on pragunev kile seotud alusega läbi viskoosse vahekihi (ei ole jäigalt fikseeritud ega ka päris vaba). Pragude tekkimise taga on moodustuva geelkile mittehomo­geenne kokkutõmbumine – seda kinnitab ka kilefragmentide rullumine hilisemas faasis.

Minimaalne mudel, mis võtab arvesse geelprotsesside omapära, koosneb kahest kolmnurkselt pakendatud plokkide kihist, kus plokid on lähimate naabritega

vedrudega ühendatud (nn vedru-plokk mudel, joonis 2). Seejuures iga plokk koosneb paljudest aatomitest (ploki karakteristlik mõõt on ligikaudu pool kile paksusest ehk ~200 nm). Mittehomogeense kokkutõm­bumise kirjeldamiseks on vedrude parameetrid kummalgi kihil ja kihtide vahel erinevad. Igal vedrul on etteantud vahemikust valitud juhuslik katkemisjõud – kui elastsusjõud vedrus ületab selle, loetakse vedru katkenuks. Vedrude (st simulatsiooni-) ja eksperimendipara­meetrite vahel on leitud loogilised seosed (täpsemalt vt. [3]).

Sobivate parameetrite valikuga õnnestus saavutada kõik eksperimendist nähtud karakteristlikud pragunemismustrid (vt. joonis 3), samuti õnnestus reprodutseerida moodustunud kilefrag­mentide rullumine.

Selline toimiv mudel aitab geelkile pragunemist ja tekkivate fragmentide rullumist paremini mõista ning aitab oluliselt kaasa sobiva valmistustehnoloogia väljatöötamisele, kuna loodud mudel kirjeldab otseselt tekkivate torujate mikrostruktuuride dimensioone. Paralleelselt modelleerimisega uuriti eksperimentaalselt ka tekkiva geelkile paksuse ning moodustuvate mikrotorude raadiuse sõltuvust erinevatest parameetritest [4]. Saadud tulemused näitavad, et sarnaselt pragunemisele alluvad kile paksus ning rullstruktuuri raadius selgetele seaduspärasustele ning on läbi eksperimendi­parameetrite ka kontrollitavad.

Algallikad

[1]  http://www.materjalimaailm.ee/sool-geel_materjalid

[2]  Martin Järvekülg. Madaladimensiooniliste optiliste materjalide valmistamine sool-geel meetodil. Bakalaureusetöö, Tartu Ülikool, 2005.

[3]  Jakob Jõgi, Martin Järvekülg, Jaan Kalda, Aigi Salundi, Valter Reedo, Ants Lõhmus. Simulation of cracking of metal alkoxide gel film formed on viscous precursor layer using a spring-block model. EPL – A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics 95(6) (2011) pp. 64000-p1–64005-p6.

[4]  Martin Järvekülg, Raul Välbe, Jakob Jõgi, Aigi Salundi, Triin Kangur, Valter Reedo, Jaan Kalda, Uno Mäeorg, Ants Lõhmus, Alexey E. Romanov. A sol-gel approach to self-formation of microtubular structures from metal alkoxide gel films. Physica Status Solidi A (2012). 10.1002/pssa.201228371