Tugevad klaasid saavad veelgi tugevamaks tänu Tartu ülikooli noorele materjaliteadlasele ja füüsikule ({{commentsTotal}})

Foto: Tartu ülikooli doktorandid mõtlesid välja matemaatilise mudeli ja sellel põhineva arvutiprogrammi, mis eemaldab klaasi tugevuse mõõtmisel laserikiire paindumise mõju.
Foto: Tartu ülikooli doktorandid mõtlesid välja matemaatilise mudeli ja sellel põhineva arvutiprogrammi, mis eemaldab klaasi tugevuse mõõtmisel laserikiire paindumise mõju. Autor/allikas: Flavio/ Flickr Creative Commons

Nutitelefoni, nuhvli, sülearvuti või muu multimeediaseadme ekraan, millelt praegu neid ridu loed, on suure tõenäosusega kaetud kaitseklaasiga, mida toodab maailmakuulus ettevõte Corning. Corningu keemiliselt karastatud alumiinosilikaatklaasid ehk nõndanimetatud Gorilla klaasid katavad muu hulgas Aceri, ASUS-e, Delli, HP, HTC, Lenovo, LG, Motorola, Nokia ja Samsungi ekraane.

Nende kaitseklaaside purunemiskindlust aitab Corningul arvutada ka Tallinna tehnikaülikoolist välja kasvanud firma GlasStressi aparaadid. Mõõteseadmete veelgi täpsemaks ja töökindlamaks muutmiseks on Tartu ülikooli noored teadlased – Siim Hödemann ja Andreas Valdmann – välja mõelnud uudse teooria ja sellel põhineva tarkvara.

GlasStressi hajunud valguse polariskoop SCALP ehk SCAttered Light Polariscope on maailmas ainulaadne seade, mis määrab karastatud klaasi tugevust väga täpselt ja kiiresti ilma klaasi kahjustamata. Selleks asetatakse aparaat üliõhukese õlikihiga kaetud klaasile, mille tugevust teada tahetakse. Hajunud valguse fotoelastsusmeetodil töötav SCALP annab vastuse klaasi tugevuse kohta nelja sekundiga.

Sellest palju aeganõudvam – võib võtta kogu tööpäeva – alternatiiv on mõõta klaasi pingeid polarisatsioonimikroskoobiga.Siim Hödemann kirjeldab polarisatsioonimikroskoobiga klaasi tugevuse mõõtmist: klaasiviil tuleb mitu korda üha õhemaks lihvida ja uuesti mõõta, et saada tulemusi ka pinna lähedalt. Sellise mitmekordse lihvimise tulemusena muutub kaasi pingeprofiil lihvimisest tingitud pingerelaksatsioonide tõttu. (Foto: Tartu ülikool)

Kolmas võimalus on klaasi tugevust erinevate painde- või kriimustustestidega mõõta. Nii saadud tulemused on eelpool nimetatud meetoditest juba kordi ebatäpsemad ja kuna selline katse pole sama klaasiga korratav, seab see tulemuste õigsuse kahtluse alla.

Hajunud valguse polariskoobis SCALP suunatakse läbi prisma klaasplaadi sisse laserikiir, mida jälgib kõrvalt kaamera. Nii on näha kiire hajunud valguse intensiivsuse jaotust, mille järgi arvutatakse infotöötlusalgoritme kasutades välja klaasi pinge ehk tugevusnäitaja. Sellist meetodit on GlasStress täiustanud alates 2003. aastast, kui nad tulid turule esimese klaasitööstustele ja -laboritele mõeldud mõõteseadmega.

SCALP-04 kasutamine:

Kuigi seade pakub juba praegu klaasi tugevuse kohta väga täpseid näitajaid, leiavad arendajad ja teadlased järjest uusi proovikivisid, mida lihvides tulemused veelgi korrektsemaks muuta.

Näiteks on teada, et kuna karastatud klaaside tugevus on saavutatud ioon-vahetusprotsessi või kuumutamise-jahutamise teel, on selle pinnal valguse murdumisnäitaja suurem kui materjali keskel. “Valgus teeb jõnksu,” piltlikustab viimasel aastal SCALP-i täiendamisele pühendunud Tartu ülikooli füüsik ja materjaliteadlane Siim Hödemann. “Kui valgus teeb jõnksu, on hajunud valguse intensiivsus, mida me näeme, häiritud. Kui seda saaks arvesse võtta, oleks seade karastatud klaasi tugevuse määramisel veelgi täpsem.”

Just selle kitsaskoha lahendamiseks töötaski Hödemann koos teise Tartu ülikooli doktorandi Andreas Valdmanniga välja matemaatilise mudeli ja sellel põhineva arvutiprogrammi, mis laserikiire paindumise mõju eemaldab.

Uudse programmi ühendamine SCALP-i tarkavaraga võib veel üksjagu aega võtta, ent GlasStressi juhataja Johan Antoni sõnul on Tartu ülikooli koostööga väga rahul. Ta kiitis Hödemanni, kes iseseisvalt nende jaoks olulise probleemi lahendas: “Saime töötava tarkvarana ja kokku sai pandud isegi teadusartikkel.”

Hödemanni sõnul pakub valguse paindumise teoreetiline mudel hajunud valguse fotoelastsusmeetodis arvatavasti ka üldisemat huvi teistes tomograafilistes meetodites. Tema sõnul on välja arendatud teooriat ja paari pingeprofiili ümberarvutust kirjeldav artikkel üks väheseid, mis hajunud valguse meetodis valguse paindumise mõju käsitleb.

“Juhuslikult tekkis kõrvalproduktina uudne praktilise väärtusega metoodika, mis võimaldab määrata murdumisnäitaja profiili ioon-vahetusprotsessiga töödeldud klaasides,” rääkis teadlane. “Teine kõrvalprodukt oli kuulikindlates klaasides mõõdetud pingeprofiilid, mida ei ole kunagi sellise täpsusega mõõdetud. Nähtavale tulid jõnksud ja uued iseärasused pingeprofiilides, mis varem mõõdetavad polnud. Pingeprofiili kuju disainimine on väga tähtsal kohal keemiliselt karastatud klaaside suurema tugevuse saavutamisel. Näiteks Gorilla klaasil pole kõige suurem pinge mitte pinnal, vaid umbes 10 mikromeetri sügavusel pinna all.”

Joonisel on kujutatud valguskiire paindumise kulgemist keemiliselt karastatud klaasis. Simulatsioonarvutus näitab, kuidas laserikiir keemiliselt karastatud klaasi sisenedes jaotub kaheks eraldi valguskiireks ja kuidas kiir kõrge varieeruva murdumisnäitaja tõttu paindub ja nö "jõnksu teeb". Valgus siseneb simulatsioonis 400 mikroni paksusesse klaasi ülemisest vasakust nurgast, mille pinnapinge on -850 MPa (miinusmärk tähistab et tegemist on survepingetega). Klaasi keskosas on pinna survepingeid tasakaalustav tõmbepinge (tähistatud sinise värviga). (Allikas: Siim Hödemann)

“Välja töötatud teooria lubab ümber arvutada juba mõõdetud jääkpingete profiili,” kirjeldab Hödemann SCALP-i mõõtetulemuste korrigeerimist. “Me mõõdame seadmega klaasi tugevuse indikaatoriks oleva pingeprofiili, ja siis hakkame sealt välja loputama korrektsemat vastust, mis võtab arvesse ka valguse paindumise. Igal uuel arvutuskäigul läheb tulemus täpsemaks. Need arvutused teeb meie kirjutatud arvutiprogramm,” rääkis igapäevaselt Tartu ülikoolis elektri ja optikaga seotud aineid õpetav Hödemann. Kusjuures pedagoogilise tegevuse eest sai noorteadlane sel aastal ka loodus- ja tehnoloogiateaduskonna parima õppejõu valimisel nominatsiooni ning tunnustati kahe aastase TÜ hea õpetamise uurimistoetusega (scholarship of teaching and learning).

Lisaks sellele, et SCALP mõõdab järjest täpsemini telefoniekraanide ja kuulikindlate klaaside 100- ja 200-mikromeetriste pinnakihtide tugevust, on sellest teaduses kasu ka kosmoses. Nimelt kasutatakse seal sarnaseid klaase päikesepaneelide ja teleskoopide kaitsmiseks. “Selle üks praktiline rakendus on ka meditsiinifüüsikas. Näiteks sel suvel valmistati USA-s haava õmbluste mudelid, mida mõõdeti samuti SCALP-iga. Haava mudelid olid kaetud fotoelastse plastikukihiga, millesse lõikasid haavad ja tegid õmblused USA tippkirurgid,” kirjeldas Hödemann.

Siim Hödemanni põhilised katseobjektid on kuulikindlad klaasid ehk tavaliselt komposiitmaterjalid, mis koosnevad erinevatest läbipaistvatest kihtidest. Selle liitium-aluminosilikaatklaasi on hoitud tugevuse saavutamiseks 24 tundi 480-kraadises kaalium- ja naatriumnitraatsoola segus. (Foto: Tartu ülikool)

Fotoelastsus Eestis

Eestis on fotoelastsusalaseid uuringuid teinud viimased 50 aastat akadeemik Hillar Aben, kes algusaastatel keskendus rohkem teoreetiliste probleemide lahendamisele. Kuid Johan Anton ja Andrei Errapart andsid 90ndatel hoo sisse automaatpolariskoopide arendamisele.

Karastatud klaaside uuringuid Tartus algatas professor Jaak Kikas. Ajakirja Journal of Applied Physics detsembrikuu viimases numbris ilmub Hödemanni ja Kikase kaasautorluses artikkel, mis kirjeldab uudset lähenemist konfokaalmikroskoopia kasutamisest klaasi pingete uurimiseks. Autorid pakuvad välja võimaluse muuta klaasi läbiv laserikiir ülipeenikeseks – diameetriga umbes neli mikromeetrit.

“Laseri kiirt ennast paraku kuidagi nii kitsaks pole võimalik saada – läätsega fokuseerides on võimalik saavutada umbes 50-60 mikromeetrit, kuid ka seda ainult fookuses –, kuid konfokaalne detekteerimine lubab infot koguda vaid väga piiratud ruumalast suurusega umbes paarkümmend kuupmikromeetrit,” kõneles Hödemann. “Nii tekib võimalus tekitada nö "virtuaalselt peenike" laserikiir, mille abil on võimalik klaaside pingeid tomograafiliselt uurida.” Hödemanni sõnul on konfokaalne hajunud valguse meetod tulevikutehnoloogia, mille tõeline väärtus selgub alles viie kuni kümne aasta pärast.

Konfokaalse mikroskoopia leiutas hiljem tehisintelligentsi uuringutega kuulsaks saanud Marvin Minsky 1957. aastal. Idee seisneb väikese ümmarguse ava abil detekteeritava valguse kogumises vaid väga väikesest ruumipiirkonnast.



Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: