Maido Merisalu kolme minuti videoloeng:

Korrosioon on materjalide hävimine keskkonnamõjude toimel ja selle halastamatu loomuliku protsessi eest ei ole täielikult kaitstud autod, nutitelefonid, ehted, hambaimplantaadid ega ka lennumasinad. Kui ehete korral on probleem vaid esteetiline, siis autode ja lennukite korral võib alumiiniumist detailide korrosioon viia tõsise masina rikkeni ning sellega kaasnevad suured rahalised kahjud ja võivad ohtu sattuda ka inimelud. Kui suurte kaitstavate pindade korral saab kasutada korrosiooni tõkestavat värvikihti, siis pisemate keerukama kolmemõõtmelise kujuga täppisdetailide korral ei ole see võimalik. Kuidas aga tagada just selliste väiksemate olulist rolli täitvate detailide kaitse korrosiooni eest?

Sobiva korrosiooni ennetusmeetodi valik

Antud probleemi lahendamiseks tuleb esmalt uurida mis materjaliga on tegu ja kuidas ta täpselt korrodeerub (roostetab).

Lennukite ja autode korral on kasutusel suurepäraste mehaaniliste omadustega alumiiniumi sulam (duralumiinium), mis on tootmise käigus kõrgelt temperatuurilt kiiresti alla jahutatud ja seejärel külmtöödeldud. Selliste töötluste tulemusena moodustuvadki sulamisse mehaanilisi omadusi parendavad mikroskoopilised kristalliidid, mille koostis on oluliselt erinev sulami põhimaatriksist. Tekkinud kristalliidid paljastuvad ka metalli pinnal, kus nad puutuvad kokku vee ja kloriidioonidega ja siis ongi kõik vajalikud komponendid olemas ühe kõige ohtlikuma korrosioonivormi kulgemiseks. Nimelt moodustub galvaaniline paar, kus keemiliselt passiivsem kristalliit on katoodiks ja selle ümber olev suurema alumiiniumi sisaldusega maatriks anoodiks.

Tekkinud lokaalse mikroskoopilise patarei tõttu hakkabki anoodne maatriks keskkonnast tulenevate vee ja kloriidioonide toimel kiiresti hävima. Selle tulemusena tekivad materjali sisse sügavale ulatuvad „koobastikud“, mis on inimsilmale nähtamatud ja viivad materjali ootamatu katastroofilise purunemiseni. Antud korrosiooniprotsessi tuntakse kui punktkorrosiooni ja ta kulgeb seni kuni katoodne kristalliit on maatriksiga elektrilises kontaktis. Kuna kirjeldatud korrosioonivormi kulgemiseks peab olema võimalik reaktsioonide kulgemine nii katoodi kui ka anoodi pinnal ja elektronide vaba liikumine aktiivselt maatriksilt passiivsele kristalliidile, siis piisab korrosiooni ennetamiseks kui kasvõi üks nendest protsessidest on takistatud - mõeldud, tehtud?

Skaneeriva elektronmikroskoobiga tehtud pilt nanokomposiitse katte ristlõikest. (Allikas: Maido Merisalu)

Nanokomposiitsed korrosioonivastased kaitsekatted

Selleks, et katta duralumiinium õhukese kaitsekilega, tuli sulami pind eelnevalt homogeniseerida. Selektiivse protsessi läbiviimiseks kombineeriti nii keemilisi kui ka elektrokeemilisi meetodeid kuid spetsiaalse töötluse tulemusena saavutatigi katte valmistamise esimeses etapis materjali pinnale õhuke poorne oksiidikiht, millest olid eemaldatud ka eelnevalt mainitud kristalliidid.

Katte valmistamise teises etapis kasutati aga aatomkihtsadestuse meetodit, et täita oksiidikihis olevad erieneva suurusega poorid ja katta kogu alusmaterjal keemiliselt vastupidava kaitsekihiga. Aatomkihtsadestuse meetodil on seejuures võimalik aatomitest „kokku laduda“ mistahes koostise ja struktuuriga materjale ning antud juhul oli vajadus just keemiliselt vastupidava pealmise kihi järele.

Kahes etapis valmistatud kate osutus üllatavalt vastupidavaks, tagades alusmaterjalile täieliku kaitse korrosiooni eest. Oluline on märkida ka seda, et kuna keemilised ja elektrokeemilised töötlused kaitstavat materjali ei paksendanud ning teises etapis aatomkihtsadestatud keraamiline kile oli alla 100 nanomeetri paksune, siis kaitsekatte valmistamine objekti mõõtmeid praktiliselt ei suurendanud. Kuna alusmaterjali mass oluliselt ei muutunud, siis sobib see kate lisaks autode ja lennukite detailide kaitsmisele kasutamiseks ka teistes rakendustes, kus kerge kaal on ülioluline - näiteks droonid, kosmosetehnika jms.

Hilisemad testid näitasid, et sellised nanokomposiitsed katted olid ka üsna kraapekindlad ja seetõttu on üheks potentsiaalseks rakenduseks ka elektrooniliste seadmete, näiteks nutitelefonide ja sülearvutite, korpused. Selleks, et kaitsta aga Tartu ülikooli ja töö autorite (Väino Sammelselg, Lauri Aarik, Maido Merisalu) huve, patenteeriti ka mõne aasta eest metoodika antud katete valmistamiseks.

Kuigi antud meetod teeb tulevikus autod ja lennukid turvalisemaks, puudutab korrosioon meid tegelikult kõikides valdkondades, alates meditsiinist kuni energeetika ja kosmosetehnikani. Seega on praegu ja jääb ka tulevikus tugev nõudlus uudsete ning efektiivsete korrosiooniennetusmeetodite järele, millega tegelevad Tartu ülikooli materjaliteadlased.

Teksti ja video autor Maido Merisalu on Tartu ülikooli doktorant, kes osales edukalt TÜ kolme minuti videoloengu ja populaarteadusliku artikli konkursil.