Toughness and Flaw Tolerance by Biologically Inspired Approaches

Julkaisun otsikon käännös: Sitkeitä rakennemateriaaleja luontoa jäljitellen

Tuukka Verho

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Luonnon rakennemateriaalien tehtävänä on toimia kehikkona ja suojana muille kudoksille, sekä kestää iskuja tai suojata pedoilta. Ne yhdistävät usein tehokkaasti kovia mineraaleja ja sitkistävää orgaanista ainetta tarkasti hallittujen mikrorakenteiden ja sidosvuorovaikutusten avulla. Tämä on innostanut tutkijoita jäljittelemään luonnossa esiintyviä rakennepiirteitä keinomateriaaleissa, jotta jäykkiä, lujia, sitkeitä ja vaikeasti murtuvia materiaaleja voitaisiin rakentaa teknologisesti käyttökelpoisin mutta ekologisesti kestävin menetelmin. Erityisesti simpukoiden helmiäinen kiehtoo tutkijoita, sillä sen kerroksittainen mikrolaattarakenne hyödyntää n. 500 nm paksujen kalkkilaattojen kovuutta välttäen mineraaleille tyypillisen haurauden, vaikka laattojen välissä on vain pieni määrä sitkistävää pehmeää ainetta. Tässä väitöskirjassa keskitytään simpukkaa jäljitteleviin savi-polymeerinanokomposiitteihin, joissa nanosaviliuskat itsejärjestyvät kerroksittain helmiäisen tapaan. Niistä toivotaan kevyitä mutta vahvoja, kestävästi valmistettavia materiaaleja. Kuten esikuvansa, luontoa jäljittelevät materiaalit ovat usein herkkiä kosteudelle. Julkaisussa I tutkitaan veden vaikutusta savi-polymeerikomposiittikalvoihin, ja huomaamme lasitransitiolämpötilan laskevan kosteuden myötä. Kun se laskee alle huoneenlämpötilan, kalvojen sitkeys kasvaa, mutta jäykkyys ja lujuus laskevat. Jatkokehitystä tarvitaan, jotta parhaat ominaisuudet saadaan olosuhteista riippumatta. Valmistuksessa tai käytössä syntyneet rakenneviat vaikuttavat materiaalien luotettavuuteen, jos ne ovat herkkiä defekteille. Julkaisussa II käytämme simulaatiomallia tutkimaan rakenneosien välisten vuorovaikutusten plastisuutta kykyyn kestää murtumista aiheuttavia lovia materiaalinäytteessä. Tulokset vahvistavat aiemmin kokeissa havaittua riippuvuutta lujuuden, plastisuuden ja defektin koon välillä. Vuorovaikutusten plastisuus toimii mallina rakenneproteiineissa esiintyville uhrisidoksille, jotka auttavat luonnonmateriaaleja yhdistämään jäykkyyden ja sitkeyden. Haihtumiseen perustuva itsejärjestyminen on menetelmä valmistaa savi-polymeerikomposiittikalvoja vesiliuoksesta. Julkaisussa III esittelemme laminointimenetelmän, jolla saadaan ensimmäiset jopa senttimetrin paksuiset helmiäistä matkivat savi-polymeerikomposiittilevyt kalvoja yhdistämällä. Levyistä saadaan näytteitä murtumaprosessien tutkimiseen taivutuksessa, ja teemme materiaalille ensimmäiset murtumasitkeyden mittaukset. Julkaisu IV jatkaa murtumaominaisuuksien tutkimista. Hyödynnämme laser speckle -kuvantamismenetelmää, jolla on aiemmin kuvattu lähinnä veren virtausta, ja kuvaamme prosessialueen syntymistä esimurtuman kärjen ympärillä. Prosessialue levittää murtuman kärjen jännityksiä laajemmalle alueelle, ja on siksi olennainen materiaalin sitkeyden ja luotettavuuden kannalta. Vertaamme aidon helmiäisen ja savi-polymeerikomposiittien prosessialueiden syntyä, ja havaitsemme yhtäläisyyksiä ja eroja liittyen kokoon, syntynopeuteen ja muotoon.
Julkaisun otsikon käännösSitkeitä rakennemateriaaleja luontoa jäljitellen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ikkala, Olli, Vastuuprofessori
  • Ikkala, Olli, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7687-4
Sähköinen ISBN978-952-60-7688-1
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • helmiäinen
  • biomimiikka
  • sitkeys
  • murtuma
  • itsejärjestyminen
  • nanosavi

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Sitkeitä rakennemateriaaleja luontoa jäljitellen'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä