Metallide, eriti raua laialdase kasutuselevõtuga sai inimkonnale tuttavaks ka selle materjali suurim vaenlane, rooste, mida on püütud tõrjuda, ent millest päriselt lahti pole seni saadud.

Tartu Ülikooli materjaliteadlased aga usuvad, et on nanotehnoloogia abil uudsele lahendusele väga lähedal.

«See probleem – kuidas kaitsta metalle rooste vastu – on teaduses mitusada aastat vana,» märkis Tartu ülikooli anorgaanilise keemia professor ja füüsika instituudi materjaliteaduse osakonna asejuhataja Väino Sammelselg.

Õigupoolest ei otsi ka TÜ materjaliteadlased vastust küsimusele, kuidas roostest täielikult lahti saada, vaid kuidas metalli selle eest paremini kaitsta, isegi kui see on algselt kaetud õhukese omaoksiidi kihiga.

«Aga siiani ei ole suudetud lahendada küsimust, kuidas oleks võimalik katta ja kaitsta metallist detaile üliõhukeste kihtidega nii, et detailide esialgsed mõõtmed säiliksid võimalikult täpselt,» lisas Sammelselg.

Just sellega tegelevad Tartu ülikooli materjaliteadlased juba kolmandat aastat. 2008. aastal sai Sammelselja uurimisrühm koos 13 partneriga kuuest Euroopa riigist Euroopa Liidu teaduse 7. raamprogrammist toetust kokku 4,7 miljoni eurot, et töötada välja üliõhukesed kiled, millega katta eri kuju ja pinnastruktuuriga metallisulamitest detaile.

Kuigi korrosiooni tõrjumine on endiselt aktuaalne teema peale metallitööstuse ja masinaehituse ka materjaliteadlaste hulgas, ei ole maailmas palju teadlasrühmi, kes otsiksid probleemile lahendust nanomaailmast. Just selles aga peitubki üliõhukeste kihtidega korrosioonitõrje uudsus, on Sammelselg veendunud.

 Iseehitatud reaktor

Nüüd, ligi kolm aastat hiljem ja projekti lõppemise eel, on tartlastel ette näidata juba häid tulemusi. «Oleme jõudnud üha paremate kateteni, mis peavad testidele hästi vastu,» selgitas Sammelselg ja lisas, et ka projekti kaasatud ettevõtted, millest osa on suurfirmad, on tulemustega rahul.

Tartu teadlaste ülesanne kõnealuses projektis oligi katta aatomkihtsadestuse meetodil eri katseobjekte ning teha nende katete esmased testid.

Üliõhukesi katteid teevad ülikooli teadlased ise modifitseeritud ja ehitatud aatomkihtsadestuse reaktoril. Sammelselg tõstab seadmete suurimate ehitusmeistritena esile doktorant Raul Rammulat ja insener Lauri Aarikut.

Reaktorisse sisestatakse reeglina korraga mitu eri materjalist katseobjekti, mille katmiseks juhitakse reaktsioonitsooni tsükliliselt üksteise järel eri lähteained. Need ained reageerivad katseobjektide pinnal, mille temperatuur on tõstetud vajaliku tasemeni. Selle tulemusel, tavaliselt kahe-kolme tsükli jooksul moodustub objekti pinnal monomolekulaarne oksiidikiht. Protsessi korratakse vastavalt sellele, kui paksu katet on tarvis valmistada.

Paks on saadava katte kohta siiski liialdus öelda, sest tulemuseks on vaid mõne kuni mõnekümne nanomeetri paksused kihid. Võrdluseks – veel silmaga nähtava juuksekarva paksus on keskmiselt 70 mikromeetrit. Mikromeetriste mõõtmetega objekti palja silmaga aga enam ei näe, ning kui üks mikromeeter jagada tuhandega, ongi tulemuseks nanomeeter.

Uute korrosioonivastase katete puhul ongi oluline, et kihid oleksid võimalikult õhukesed, et mitte muuta metallist detailide suurust. See on oluline näiteks lennunduse, kosmosetehnoloogia ja ka autotööstuse teatud detailide puhul.

 Gaas reageerib ära

Katseobjektideks on Tartus peale peamiselt raua- ja alumiiniumipõhistest sulamitest väikeste katsekehade ka paariliitrised gaasiballoonid, kus projektis osalev Euroopa juhtiv erigaase tootev firma Linde AG hoiab gaaside täppissegusid.

Probleem on selles, et teatud reaktiivsed gaasid kipuvad reageerima balloonisisese seinamaterjaliga. TÜ materjaliteadlaste ülesanne on seda reageerimist takistada. Testimisperiood on pikk – ligi pool aastat, kuid esmased tulemused saab teada juba paari nädalaga. «Kuna oleme teinud erinevaid katteid, siis oleme suutnud välja selekteerida sellised, mis enam-vähem töötavad,» ütles Sammelselg ja lisas, et katsetused jätkuvad peagi suurematel balloonidel.

Sammelselg nentis, et probleeme, mis nanokihtide tegemisel ette on tulnud, jagub. «Me puutusime kokku väga tõsiste küsimustega ega oska veel siiani öelda, kas meil selle projekti raames õnnestub katta kõiki tüüpe objekte, aga ma teame nüüdseks üldisi põhimõtteid.»

Aatomkihtsadestuse meetodit kasutatakse juba praegu elektroonikatööstuse kõrval ka hõbelusikate katmisel, ent kui need lusikad on reeglina kenasti poleeritud ja ühtlase pinnaga, siis Tartu teadlastel tuleb tegemist teha objektidega, mille pind on suhteliselt kare ja koostiselt heterogeenne. Kaitsekiht peab aga katma ka imepisikesi uurdeid ja nanopoore, sest vastasel korral ei ole kattest kasu ning metalli laastavad tegurid pääsevad mõjule.

 Peenem mikroskoop

Sammelselja sõnutsi ei ole võimalik valmistada universaalset kilet, mis oleks nii hästi õhuke kui ka mehaaniliselt ülitugev. «Kuna me tegeleme üliõhukeste katetega, siis seda enam on neid võimalik vigastada.» See tähendab, et nanokihiga kaetud objekti kattematerjalist tugevama materjaliga objekti kraapides selle pind ilmselt kahjustub, kuid vajaduse korral saab katet kulumistsoonis tugevamaks muuta, pannes peale veel kõvemate ainete kihte.

Võib ka juhtuda, et kate ise on silmale nähtamatu defektiga ning agressiivsed gaasid pääsevad nanoaukudest või -pragudest läbi ja kergitavad ära katte suuri tükke. «See on tõsine probleem ja seetõttu peavad katted olema atomaarselt ideaalsed.»

Praegu saavad teadlased kontrollida katete kvaliteeti uue kahekiirelise skaneeriva mikroskoobiga, ent selleks, et avastada vigu ka nanokihtide sees ja vahel, läheks materjaliteadlastel Sammelselja sõnutsi tarvis veelgi peenemat läbivalgustavat elektronmikroskoopi, mis võimaldaks analüüsida kihte atomaarsel tasemel ning anda nii võimalus valmistada atomaarselt ideaalseid katteid. Sellise, üle 2,5 miljoni euro maksva seadme loodavad teadlased saada füüsika instituudi uude majja.

Kuigi Euroopa Liidu finantseeritav projekt saab tänavu suvel läbi, on tartlastel korrosiooni tõkestavate katete aatomkihtsadestuse meetodil valmistamise temaatikaga plaanis kindlasti jätkata. Senised kolm aastat on põhjapanevate tulemuste esitlemiseks äärmiselt lühike aeg. Pealegi ehitasid tartlased suure osa ajast vajalikke seadmeid.

Artikkel ilmus ajakirjas Universitas Tartuensis.