Materian mysteerit ratkeavat mikrotomografialla

27.10.2016 - Lukuaika 3 minuuttia
- Helsingin yliopisto Keho, mieli ja sukupuoli
Heikki Suhonen - Filosofian tohtori - Helsingin yliopisto

Artikkeli on toteutettu yhteistyössä Helsingin yliopiston kanssa.

Uudet röntgensäteilyyn pohjautuvat mikroskopiamenetelmät paljastavat kiinnostavia yksityiskohtia materiaalien mikrorakenteesta. Tulevaisuudessa se voi merkitä sitä, että pääsemme kehittämään luotettavampia, täysin uudentyyppisiä materiaaleja.

Kaikki maailman aineelliset asiat koostuvat jostakin – materiaalista. Mutta oletko koskaan ajatellut materiaalien sisällä olevaa rakennetta ja sitä, miten se vaikuttaa päivittäiseen elämääsi? Päällepäin yksinkertaiselta ja tasaiselta näyttävä materiaali pitää sisällään monimutkaisen rakenteiden verkoston, jossa rakenteet – aina atomeista ja molekyyleistä mikrometrien tasolle asti – tuottavat materiaalille sen ominaisuudet. Silloin pienikin muutos tuossa rakenteessa saattaa muuttaa merkittävällä tavalla materiaalin ominaisuuksia, esimerkiksi sen kestävyyttä.

Tutkimme Helsingin yliopiston Materiaalifysiikan osastolla materiaalien ominaisuuksia ja fysiikkaa sekä kokeellisesti että laskennallisesti. Yksi käyttämistämme tekniikoista on tietokonetomografia, jota on hyödynnetty laitoksellamme materiaalien mikrorakenteen tutkimukseen vuodesta 2008 lähtien. Sen avulla kappaleen sisällä olevaa mikrorakennetta voidaan kuvata ennennäkemättömällä tavalla, ja saada tietoa materiaalin toiminnan kannalta tärkeistä rakenteen yksityiskohdista.

Silloin vaikkapa puinen kappale muuttuukin kuvissamme solujen, soluseinämien ja kanavien muodostamaksi monimutkaiseksi verkostoksi. Kuvat ovat ikkuna, jonka kautta voimme tarkastella esimerkiksi veden kulkeutumista puun mikrorakenteissa.

Mikrotomografia avaa silmämme materiaalien muutoksille

Tomografiaa on käytetty sairaaloissa potilaiden kuvaamiseen jo 80-luvulta lähtien. Viimeisen vuosikymmenen aikana korkean resoluution tomografia, mikrotomografia, on kuitenkin tehnyt mahdolliseksi myös materiaalien tutkimisen alle mikrometrin tarkkuudella.

Aiemmilla menetelmillä materiaali piti rikkoa sisäosien tutkimista varten, mutta röntgenmikroskopian avulla voimme tutkia sisäosia suoremmin, koska röntgensäteily läpäisee materiaaleja tehokkaasti. Kyseisellä röntgensäteilyyn pohjautuvalla kolmiulotteisella mikroskopiatekniikalla näytteitä voidaan siksi tutkia tuhoamatta niitä. Näin pääsemme tutkimaan muutoksia uudenlaisella tavalla: altistettaessa metallia rasitukselle voimme esimerkiksi samalla havainnoida sitä, kuinka sen sisällä olevat pienet huokoset yhdistyvät isommiksi. Silloin voimme seurata tarkasti sitä, kuinka metallin ominaisuudet lopulta heikkenevät äkillisesti.

Voimme kehittää materiaaleja, joita emme aiemmin uskoneet mahdollisiksi.

Tällaisella tutkimuksella voi olla merkittäviä hyötyjä esimerkiksi lentokoneiden rakenteissa käytettävän alumiinin ominaisuuksien parantamisen kannalta. Tulevaisuudessa kykenemme myös tutkimaan materiaaleja entistä paremmin juuri niissä olosuhteissa, joissa ne on tarkoitettu käytettäviksi. Voimme kehittää materiaaleja, joita emme aiemmin uskoneet mahdollisiksi – esimerkiksi itsensä korjaavan lasin. Silloin lasiin muodostuvat pienet, mikrometrien levyiset halkeamat korjautuvat itsekseen.

Tyypillisesti materiaalien rakenne on hierarkkinen: ne sisältävät piirteitä eri mittakaavoilla. Molekyylit saattavat esimerkiksi järjestäytyä pitkittäisiksi ketjuiksi, jotka puolestaan pakkautuvat kimpuiksi. Nämä kimput voivat puolestaan järjestäytyä vaikkapa kuiduiksi tai levyiksi. Tällaisia rakenteita esiintyy esimerkiksi ihmiskehon luissa, joissa sopiva rakenne on vastuussa hyvistä mekaanisista ominaisuuksista.

Mikrotomografian avulla meidän on mahdollista saada niistä lähikuva: voimme selvittää luun pienet, paikalliset tiheyden vaihtelut suhteessa luun solujen muodostamaan verkostoon. Voimme saada tietoa jopa kollageenin, eli kehon yleisimmän proteiinin, järjestäytymisestä luuta vahvistaviksi säännöllisiksi rakenteiksi. Tiedolla on merkitystä silloin, kun tutkijat etsivät syitä luun heikkenemistä aiheuttaviin sairauksiin.

Mikrotomografia auttaa ymmärtämään monimutkaisia, kolmiulotteisia verkostoja

Alalla tehtävän kehitystyön tavoitteena on, että tulevaisuudessa päästään kuvaamaan yhä suurempia tilavuuksia yhä paremmalla tarkkuudella, sekä herkemmällä kyvyllä erottaa pienempiä vaihteluita materiaalin ominaisuuksissa. Mikrotomografia on siis monialainen työkalu, joka tuottaa arvokasta tietoa esimerkiksi materiaalifysiikan perustutkimukseen, uusien materiaalien kehitystyöhön, ja lääketieteellisiin sovelluksiin. Kolmiulotteinen kuva on monien erilaisten analyysien lähtökohtana.

Silloin lentokoneiden alumiinia tutkiessamme pääsemme käsiksi materiaalin väsymisen fysikaalisiin perusteisiin, jolloin voimme kehittää materiaalin ominaisuuksia.

Itsekorjautuvan lasin tapauksessa lasiin lisättävien aktiivisten hiukkasten tyypin ja jakauman, sekä halkeamismekanismin ja korjaantumisen onnistumisasteen välille voidaan muodostaa yhteys, joka auttaa kehittämään lasia paremmin korjautuvaksi.

Luun tutkimuksessa voimme saavuttaa tietoa siitä, miten luun mikrorakenne muuttuu osteoporoosin vaikutuksesta – ja kehittää parempia lääkkeitä.

Samalla, kun mikrotomografian rooli materiaalien kehittämisessä kasvaa, meille aukenee ovi myös aiempaa syvempään ymmärrykseen mikro- ja nanorakenteiden kolmiulotteisesta evoluutiosta.

 
 

Heikki Suhonen

Filosofian tohtori - Helsingin yliopisto - @MicroCTLab
 

Kommentit

Uutistamo

Kirjaudu tai luo tunnus Uutistamoon
Twitter- tai Facebook-tunnuksillasi

Facebook Twitter

Uutistamo ei lähetä viestejä Facebookiin tai Twitteriin puolestasi.