Materjaliteadus on interdistsiplinaarne teadusharu, mis hõlmab endas nii keemia, füüsika kui ka inseneriteaduse. Teadusharu on alguse saanud juba Vana-Kreekast, mis teeb sellest ühe kõige vanema inseneriteaduse maailma ajaloos. Moodsale materjaliteadusele pani 19. sajandil aluse Josiah Willard Gibbs, kes näitas termodünaamika mõju seost materjali füüsikaliste omadustega. Kahe sajandi jooksul on teadusharu kiirelt arenenud, millele on suureks panuseks olnud kosmoseteadus.

Täna oleme jõudnud maailma, kus materjaliteadus on vaieldamatu osa meie igapäevaelust. Üheks kõige olulisemaks valdkonnaks on muutunud nanotehnoloogia, mis on laialt levinud igapäevaselt kasutatavates elektroonikaseadmetes: arvutites, telefonides, vooluallikates. Nanostruktuure saame meditsiinis rakendada näiteks ka võitluses vähiga: nende abil on võimalik viia ravim organismi kindlasse kohta ning doseerida seda vastavalt ettenähtud kogusele. Selliselt ei kahjustata terveid kudesid.

Oluline puudujääk olemasolevate lahenduste puhul on aga vajalike tingimuste loomine, milles nanostruktuure kasutatakse - nimelt on kõik välised faktorid (näiteks jõud) nanoskaalas oluliselt võimendatud, see toob endaga kaasa materjalide tavapärasest eristuvate purunemismehhanismide tekke. Nimetatud nähtusi on aga edukalt võimalik võimendada suunas, mida saame rakendada uutes lahendustes, mistõttu on oluline uurida lisaks positiivsetele nähtustele ka kahjulikke, et oskaksime neid vältida või siis hoopis võimendada meile vajalikus suunas.

Kuidas aga saaksime nanotehnoloogia puudujääke ära kasutada?

Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi vanemteadur Vahur Zadini sõnul tuleb esmalt mõista, kuidas toimub materjalide kahjustumine ning mil moel oleks võimalik materjale kontrollida. Vanemteadur on koos oma uurimisrühmaga arendamas meetodeid, kus kombineeritakse arvutisimulatsioon ja manipulatsiooni, et olemasolevaid nanotehnoloogilisi lahendusi oluliselt efektiivsemaks (upscaling) ning kättesaadavamaks muuta. Uurimisrühma töö eesmärgiks on luua lahendus, mille abil saaksime kontrollida erinevate nanostruktuuride käitumist ning ennustada tekkivaid purunemismehhanisme, et neid vajaduse korral parandada.

Vajadus nanotehnoloogiliste rakenduste  kontrolli järgi on lai. Idee alustada just nanostruktuuride kontrolliga tuli CERNi kiirendi CLIC arendusest - kiirendi pindu töödeldakse eritingimustel,  et vältida nanoskaalas tekkivaid kahjustusi. CERNi kiirendi arendamisel kasutatavaid tehnoloogiad saab kasutada ka teistes materjaliteaduse valdkondades - saaksime luua näiteks uudsel tehnoloogial põhinevaid lasereid või kõrgvooluga akusi, mille mõõtmed on minimaalsed. Taolisi lahendusi, kus rakendame materjalide maksimaalse efektiivsuse, saame edukalt kasutada ka tuleviku meditsiinilistes robotites, mida saaks kasutada näiteks veresoonkonna haiguste ravil (näiteks veresoonte puhastamiseks kolesteroolist). Siiski ei piirdu potentsiaalsete rakendusvõimaluste valdkonnad ainult meditsiiniga, vaid ulatuvad elektroonikast kosmoseni.

Zadini usub, et minimaalse varustusega kontroll nanoosakeste üle muudab tehnoloogia kättesaadavamaks nii igapäevases laboritöös, arenduskeskkonnas kui ka ettevõtluses. Samuti põimib valdkond omavahel multidistsiplinaarseks teaduseks nii füüsika, keemia kui ka materjaliteaduse.

Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi vanemteadur Vahur Zadin.

 ---

Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi vanemteadur Vahur Zadinile omistati rahastus Euroopa Liidu kõrgelt hinnatud grandi European Research Area (ERA) fondilt. ERA Chair programmi abil saab Tartu Ülikoolist Euroopa juhtiv ülikool ekstreemsete keskkondade materjaliteaduses.