Tsirkooniumoksiidist (ZrO2) mikrorullid – kas kõrgtehnoloogiline läbimurre?

Üks märkimisväärne tulemus, millega Tartu Füüsika Instituudi materjaliteadlased on viimasel ajal silma paistnud, on uudsete oksiidmaterjalist mikromõõdus rullide valmistamine sool-geel meetodil. Käesoleva kokkuvõtte autor, TÜ Füüsika Instituudi doktorant Sven Lange kaitseb 17.juunil sel teemal oma doktoritööd (Toim. A.Tamm).

Sool-geel meetod kätkeb endas vajaliku keemilise koostisega meetaolise viskoosse metall-orgaanilise lähtematerjali mehaanilist vormimist ja sellele järgnevat keemilis-termilist tahkestamist. Töötlusprotsessi käigus eralduvad viskoossest soolist orgaanilised lisandid ja ideaaljuhul jääb järgi ainult meid huvitav tahke anorgaaniline aine soovitud kujul. Meetod on lähtuvalt keemiliste protsesside omapärast hästi kasutatav just oksiidide valmistamiseks. Et antud meetodit kasutada rullikujulise tsirkooniumoksiidkile valmistamiseks, kohandas Füüsika Instituudi nanostruktuuride füüsika labori doktorant Martin Järvekülg seda nii, et vedela sooli pinnale tekkisid vee auruga rikastatud atmosfääris õhukesed tahke aine liistakud, mis eraldiseisvana tõmbusid iseeneslikult rulli tänu aine erinevale tahkumisastmele aine ülemise ja alumise pinna vahel. Tekkinud materjal kujutab endast mitmekihiliste tsirkooniumoksiidi rullide kogumit, milledes üksikut rulli moodustava ainekihi paksus on enamasti mõnesaja nanomeetri suurusjärgus.

Sellist tüüpi mikrostruktuuridel võib olla mitmeid olulisi rakendusi. Tänu suurele pinna ja ruumala suhtele oleksid sellised tsirkooiumoksiidi rullid head membraanmaterjalid kütuseelementides. Samuti võiks kasutust leida rullide sisemuses paiknev tühimik, mida saaks kasutada näiteks medikamentide transpordil ja kontollitud vabastamisel inimkehas vms.

Igasuguse realistliku rakenduse valmistamiseks peavad mikrorullid aga olema vastupidavad ja kergesti reprodutseeritavad. Lähtuvalt hiljuti Füüsika Instituudi laserspekroskoopia labori doktorant Sven Lange poolt läbiviidud uurimistöö tulemustest, esineb mikrorullide valmistamisel ja rakendamisel siiski mitmeid takistusi. Sool-geel meetodil valmistatud materjalid sisaldavad algselt mitmeid orgaanilisi lisandeid, millede lõplikuks eemaldamiseks kasutatakse kuumutamist kõrgetel temperatuuridel. Selline protsess „põletab“ enamuse jääkainetest küll anorgaanilisest oksiidmaterjalist ära, kuid samuti põhjustab muutusi oksiidmaterjali struktuuris.

Keerukate luminestsents- ja Raman hajumiseksperimentide tulemusena õnnestus Sven Langel välja selgitada, et tsirkooniumoksiidist mikrorullid läbivad hüppeliselt kristallifaasi muutuse temperatuuril ~ 700oC. Antud protsess suurendab ainet moodustavate nanokristaliitide suurust ning põhjustab viimaste pooldumist, mille tulmusena mikrorullid purunevad. Seega tuleb antud materjali reaalseks kasutamiseks teha olulisi edasiarendusi nii sool-geel metoodika kui ka rullide termilise järeltöötluse osas, mis võimaldaks keemiliselt koostiselt puhtaid rulle valmistada ka ilma neid purustamata.

Kokkuvõtlikult, on keemilise sünteesi ja optiliste ning spektroskoopiliste uuringute koostöös saadud olulist lisateavet ühe potentsiaalse kõrgtehnoloogilise materjali nii headest omadustest kui ka valmistamisega seonduvatest probleemidest. Käesolevad tulemused on avaldatud ülemaailmselt tunnustatud teadusajakirjas Optical Materials [1] ning pikemalt käsitletud Sven Lange vastvalminud doktoriväitekirjas [2].

1.K. Utt, S. Lange, M. Järvekülg, H. Mändar, P. Kanarjov and I. Sildos, Optical Materials, Volume 32, Issue 8, June 2010, Pages 823-826
2. S. Lange, Dissertationes Physicae Universitatis Tartuensis, 67

Artikli autoriks on Sven Lange, kes asub oma teese kaitsma selle aasta 17.juunil