Linde tarnib nii tööstuses kui meditsiinis ja keskkonnamõõtmistel vajaminevaid gaase, inertgaase teaduslaboritele, lisaks mitmeid erilisi ülitäpse koostisega gaasisegusid. 

Kuna suur hulk gaasidest söövitavad metalle ehk tekitavad roostet, tuleb nende transportimiseks ja hoiustamiseks kasutada eriteraseid või kalleid alumiiniummaterjale. Sellest odavam alternatiiv on katta gaasiballoonide sisepinnad üliõhukese materjaliga, mis korrosiooni olulisel määral vähendab.

Probleem on aga selles, et gaasiballoonid on suletud ruumid – neil on ainult üks väike ava –, mis muudab nende sisemusele ligipääsu väga raskes. Lisatud kate ei tohi muuta ka anuma materjali omadusi ega mõjutada selle sees olevat ülitäpset gaasisegu ning peab vastu pidama kohustuslikele perioodilistele survetestidele. Just selliste tingimuste korral tulebki kasuks Tartu ülikooli materjaliteadlaste loodud aatomkihtsadestuse reaktor.

Aatomkihtsadestuse reaktori abil saab materjale aatom aatomi haaval katta üliõhukese korrosioonikaitsega. Nii reaktor kui kõne all olev tõhus korrosiooni vastane nanomaterjal on Tartu ülikooli kiletehnoloogide aastatepikkuse teadustöö vili.

“Nagu näete, laboratoorne seade on valmis ja see töötab!” rõõmustab üks loojatest, TÜ kiletehnoloogia insener Lauri Aarik. “Taotleme sellele patenti nii Euroopas, USA-s, Jaapanis kui ka ülemaailmselt.” 

“Meie kaasabil luuakse praegu selle järgi Linde Saksamaa tehases suuremat seadet, millega katsetatakse, kas see õigustab ennast ka tööstuslike tootmismahtude juures,” lisab TÜ anorgaanilise keemia professor ja materjaliteaduse osakonna juhataja Väino Sammelselg. 

Teaduselt tööstusele

“Linde jaoks on asi rahas,” lisab Sammelselg, kes on juba aastakümneid töötanud selle nimel, et teadusarendused käiksid ühte jalga ettevõtete vajadustega.

“Selleks, et nende balloonid reaktiivsetele gaasidele vastu peaksid, peavad nad praegu kasutama väga kallist materjalist valmistatud balloone. Nende huvi on kasutada odavamatest metallidest valmistatud balloone ja neid korrosiooni eest tõhusalt kaitsta.”

“Aatomkihtsadestus sobib selliste katete valmistamiseks suurepäraselt, sest seda protsessi saab läbi viia ka väikese avaga anumas nagu seda on gaasiballoonid, mille siseseina me korrosioonivastase kaitsekattega katame,“ täiendab Aarik. 

“See on üks meie patendi põhiideedest ning tänu sellisele tootearendusele saab Linde odavamalt tarnida tööstusele ja keskkonnakontrolli laboritele vajalikke spetsiaalgaase, mis metalle tugevasti korrodeerivad.“

Tartu ülikooli materjaliteadlaste lahendus läbis edukalt Linde pikaajalised testid, milles võrreldi mitmete eri tehnoloogiatega valmistatud korrosiooni vähendavaid katteid.

“Nüüd oleme jõudnud etappi, kus Linde on otsustanud meie väljatöötatud katted ning sadestamise tehnoloogia oma tehases juurutada,” võtab Sammelselg kokku teadus- ja arendustöö, mis algas koostöös gaasifirmaga juba 2008. aastal Euroopa Liidu rahastatud projekti käigus.

Väljaõpe Tartust

Linde hakkas enda tehasesse tartlaste laboratoorse gaasireaktori järgi tööstuslikku katseseadet ehitama möödunud sügisel. Sellest ajast alates on insener Lauri Aarik ja professor Sammelselg veetnud tunde neid nõustades ja käinud ka kohapeal õpetussõnu jagamas.

Kas tööstuslik seade ennast lõpuks ka õigustab, selgub lähikuudel, kui see sisse lülitatakse – Aarik ja Sammelselg on optimistlikud. Ettevõte on juba soovinud tellida Tartu ülikooli laborist ka töötajate väljaõppe seadme käsitsemiseks.

Saksa gaasifirma Linde on esimene, kes balloonide töötlemiseks tartlaste aatomkihtsadestuse seadet tootmises testib, kuid sarnane lahendus võib kasulikuks osutuda teistelegi korrosiooniga kimpus olevatele ettevõtetele, sealhulgas nii lennunduses kui meditsiinis, lisab Sammelselg.

Selle Tartu ülikooli füüsika instituudis oleva meeter korda meeter aatomkihtsadestuse reaktori prototüübi järgi ehitatakse praegu Saksamaal 20-ruutmeetrilist tööstuslikku gaasireaktorit. Autor: Tartu ülikool

Kuidas reaktor töötab?

Aatomkihtsadestuse meetodi patenteerisid Soome teadlased eelmise sajandi 70-ndate keskel. Kümmekond aastat hiljem tõid meetodi Eestisse Tartu ülikooli teadur Aleks Aidla ja professor Jaan Aarik. Professor Jaan Aarik on praegune Eesti Teaduste Akadeemia akadeemik ning Lindele sobiva katseseadme üks autoritest, poeg Lauri Aariku ja professor Väino Sammelselja kõrval.

Aatomkihtsadestamise protsessis juhitakse eri lähteained objekti pinnale. Ained reageerivad kaetaval pinnal, mille temperatuur on tõstetud vajaliku tasemeni. Lähteainete liig ja reaktsiooni kõrvalproduktid puhutakse seadmest välja, see teeb ühe sadestustsükli. Tavaliselt moodustub objekti pinnal monomolekulaarne oksiidikiht kahe-kolme tsükli jooksul. Protsessi korratakse vastavalt sellele, kui paksu katet on tarvis valmistada.

Aatomkihtsadestuse skeem. Autor: Lauri Aarik 

Nimetada saadud kaitsekatet paksuks, on siiski suur liialdus, sest tulemuseks on vaid mõne kuni mõnekümne nanomeetri paksused kihid. Võrdluseks, silmaga veel nähtava juuksekarva paksus on keskmiselt 70 mikromeetrit. Kui üks mikromeeter jagada tuhandega, ongi tulemuseks nanomeeter ning nii väikesel skaalal objekte inimese silmad enam ei erista. Selliste kihtide uurimiseks kasutavad Tartu materjaliteadlased kõrglahutusega elektronmikroskoope.

Jaan Aarik ja Aleks Aidla ehitasid esimesed aatomkihtsadestuse reaktorid enda laborile 80-ndatel. Mõni aasta hiljem liitus nende uuringutega ka Väino Sammelselg tolleaegsest ETA füüsika instituudist, aidates karakteriseerida kasvatatud nanokilesid.

Sammelselg, kes on kuulunud ka maailma ühe protsendi enim tsiteeritud materjaliteadlaste hulka, taasalustas 2009. aastal Eestis metallide korrosiooniuuringud. Ta lõi uurimisrühma, mille esimene doktoritöö kaitsti eelmisel kevadel (Jay Mondal Indiast) ning mitu doktoranti valmistuvad kaitsma lähiajal. Rühma uurimistöö on rahvusvahelise haardega ning eesmärgiks on seatud tööstuslikud rakendused, eelkõige Eesti ja Euroopa ettevõtetes.