Atomitason tutkimus voi auttaa kehittämään iskunkestävämpää lasia

Iskuja paremmin kestävä lasi voisi parantaa turvallisuutta elektroniikassa, rakentamisessa ja liikenteessä. Tohokun yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä on selvittänyt mallilasissa atomitason liikettä, joka auttaa lievittämään sisäisiä jännityksiä. Tutkimus voi tukea kestävämpien materiaalien suunnittelua, mutta siinä ei valmistettu täysin särkymätöntä kaupallista lasia.

Miksi lasi särkyy?

Lasi voi murtua, kun siihen kohdistuva jännitys kasvaa liian suureksi. Isku voi käynnistää särön materiaalin heikosta kohdasta tai pinnan vauriosta. Särön eteneminen voi hajottaa lasin teräviksi sirpaleiksi, minkä vuoksi materiaalin valinta ja asennus ovat tärkeitä turvallisuudelle.

Lämpöjännitykset

Epätasainen lämpeneminen tai nopea lämpötilanmuutos voi synnyttää lasiin jännityksiä. Lasin koostumus, muoto ja käsittely vaikuttavat sen lämmönkestävyyteen. Sulaminen erittäin korkeassa lämpötilassa on eri ilmiö kuin lämpöjännityksen aiheuttama murtuminen.

Myös pinnan likaantuminen, varjostuminen tai paikallinen kuumentuminen voi johtaa epätasaiseen lämpötilaan. Kun lasin eri osat laajenevat eri tavoin, jännitys voi kasvaa ja käynnistää murtuman.

Taipuminen ja kiertyminen

Rakennuksissa tuuli, lämpötilanvaihtelut ja rakenteiden liike voivat kuormittaa lasia. Suunnittelu- tai asennusvirhe voi keskittää kuorman lasin reunaan tai muuhun heikkoon kohtaan. Oikea mitoitus ja riittävä liikkumavara vähentävät tällaisia riskejä.

Valmistukseen liittyvät tekijät

Myös valmistusvirheet, epäpuhtaudet ja hallitsemattomat sisäiset jännitykset voivat heikentää lasia. Eri lasilaadut vaativat niille sopivan koostumuksen ja valmistusprosessin, jotta tavoitellut ominaisuudet saavutetaan.

Lämpökäsittely ja laminointi muuttavat lasin ominaisuuksia eri tavoin. Esimerkiksi karkaistun lasin jännitysjakauma on tarkoituksella suunniteltu parantamaan kestävyyttä. Monimutkaisempi rakenne ei siis itsessään tarkoita, että lasi olisi tavallista heikompaa tai että valmistusperäiset murtumat olisivat yleisempiä.

Eri lasilaadut rikkoutuvat eri tavoin

Lasi valitaan käyttökohteen kuormituksen, ympäristön ja turvallisuusvaatimusten mukaan. Tavallisen, karkaistun ja laminoidun lasin murtumiskäyttäytymisessä on olennaisia eroja.

Tavallinen jäähdytetty lasi

Tavallinen, hallitusti jäähdytetty lasi voi rikkoutua suuriksi ja teräväreunaisiksi paloiksi. Se on yleinen perusmateriaali, mutta turvalasia vaativissa kohteissa käytetään muita ratkaisuja.

Karkaistu lasi

Karkaistun lasin ominaisuudet perustuvat lämpö- tai kemialliseen käsittelyyn, eivät pelkästään erityiseen seokseen. Lämpökarkaistun lasin suunniteltu jännitysjakauma saa sen yleensä hajoamaan tavallista lasia pienemmiksi paloiksi. Tämä vähentää suurten terävien sirpaleiden aiheuttamaa vaaraa, mutta ei poista kaikkia vammojen riskejä.

Laminoitu lasi

Laminoidussa lasissa kahden tai useamman lasikerroksen välissä on niitä sitova välikerros, usein läpinäkyvää muovia. Lasi voi yhä särkyä, mutta välikerros auttaa pitämään sirpaleet paikallaan. Laminointi ei edellytä, että kaikki kerrokset olisivat karkaistuja, eikä se tee rakenteesta täysin särkymätöntä.

Uutta tietoa lasin käyttäytymisestä

Lasin kestävyyttä on tutkittu pitkään koostumuksen, rakenteen ja valmistusmenetelmien näkökulmista. Uusi tutkimus tarkentaa yhtä jännitysten lievittymisen atomitason mekanismia mallilasissa. Se ei ole ensimmäinen tutkimus lasin molekyyli- tai atomitason käyttäytymisestä.

Tutkijoita kiinnosti, miten lasin rakenneosien liike voi lievittää jännitystä. Tämän havaitseminen on haastavaa, koska liikkeet ovat erittäin pieniä ja tapahtuvat lyhyillä aikaväleillä.

Tutkimus lasin jännitysten lievittymisestä

Tutkimus¹, joka julkaistiin verkossa joulukuussa 2024 lehdessä Acta Materialia, käsittelee Johari–Goldstein-relaksaation mikroskooppista mekanismia. Kyseessä on lasimaisten materiaalien paikalliseen dynamiikkaan liittyvä relaksaatioprosessi, ei pelkästään lasin sulamisen kuvaus.

Tutkijat yhdistivät atomitason mittauksia ja molekyylidynamiikkasimulaatioita selvittääkseen, miten paikalliset hypyt ja ympäröivien rakenneosien yhteinen liike liittyvät jännitysten lievittymiseen. Kyse oli mallilasista, ei valmiin ikkunan tai puhelinnäytön iskutestistä.

Lähde – Makina Saito

Kun osa rakenneosista hyppää lähellä olevaan vapaaseen tilaan, ympäröivät ryhmät voivat liikkua yhdessä ja järjestyä uudelleen. Tutkimuksen malliaine oli ioninen lasinmuodostaja Ca0.4K0.6(NO3)1.4; kaavan loppuosa on tärkeä aineen koostumuksen kannalta.

Atomiliikkeen mallintaminen

Tietokonesimulaatiot auttoivat tulkitsemaan kokeissa havaittua liikettä. Niiden avulla tutkijat tarkastelivat paikallisen rakenteen ja kollektiivisen liikkeen yhteyttä. Tulokset eivät sellaisenaan osoita kestävyyttä kaikissa taivutus-, lämpötila- tai iskuolosuhteissa.

Kokeelliset mittaukset

Synkrotronisäteilyyn perustuvilla aikatason mittauksilla tutkittiin liikettä nanosekuntien ja mikrosekuntien aikaskaaloilla. Näin saatiin tietoa erittäin pienistä rakenteellisista muutoksista, joita tavanomaisilla mittauksilla on vaikea havaita.

Molekyylidynamiikkasimulaatiot

Molekyylidynamiikkasimulaatiot täydensivät kokeellisia mittauksia. Niissä lasketaan atomien ja molekyylien liikkeen kehitystä, mikä auttaa yhdistämään mitatun signaalin mahdollisiin mikroskooppisiin mekanismeihin.

Tutkimuksen tulokset

Tutkimus tunnisti mallilasissa kollektiivista liikettä, joka osallistuu jännitysten lievittymiseen paikallisten hyppyjen rinnalla. Liike tapahtui ångströmien mittakaavassa. Mekanismin ymmärtäminen voi tukea materiaalien suunnittelua, mutta tutkimus ei osoittanut, että lasin murtuminen voitaisiin estää kaikissa olosuhteissa.

Mahdolliset hyödyt

Kestävämpien lasien kehittäminen voisi hyödyttää esimerkiksi ajoneuvoja, rakennuksia ja elektroniikkaa. Hyötyjen toteutuminen edellyttäisi kuitenkin, että tutkimustieto saadaan siirrettyä käytännön materiaaleihin ja niiden turvallisuus voidaan osoittaa.

Myös murtumiskäyttäytymisen hallinta voi parantaa turvallisuutta joissakin käyttökohteissa. Tämä on kuitenkin erillinen suunnittelukysymys: nyt kuvattu atomiliikkeen tutkimus ei osoittanut, että lasi saataisiin rikkoutumaan ennalta määrättyjä viivoja pitkin.

Betonirakenteiden saumat ovat esimerkki siitä, miten rakenteiden liikettä ja halkeilua voidaan hallita. Vertaus ei kuitenkaan osoita, että sama ratkaisu toimisi suoraan lasissa tai perustuisi tässä tutkimuksessa havaittuun mekanismiin.

Kohti parempia suunnitteluperiaatteita

Tutkijoiden pitkän aikavälin tavoitteena on selvittää, esiintyykö vastaavaa mekanismia muissakin laseissa, ja löytää yleisiä periaatteita iskunkestävyyden parantamiseen. Tutkimus ei vielä luonut uusia yleispäteviä turvallisuusstandardeja.

Tutkimusryhmä

Työtä johti Tohokun yliopiston apulaisprofessori Makina Saito. Mukana olivat myös Kioton ja Shimanen yliopistot, Japanin materiaalitutkimuslaitos sekä Japan Synchrotron Radiation Research Institute. Ryhmä aikoo jatkaa mekanismin ja sen yleistettävyyden tutkimista.

Mahdollisia sovelluksia

Jos atomitason ymmärrys johtaa kestävämpiin lasimateriaaleihin, niistä voisi olla hyötyä esimerkiksi puhelinten ja muiden laitteiden näytöissä. Tällaisia tuotteita ei kuitenkaan vielä osoitettu tässä tutkimuksessa.

Rakentaminen

Rakentamisessa vahvempi lasi voisi parantaa rakenteiden kestävyyttä. Tuulen, lentävien esineiden ja lämpötilanvaihtelujen aiheuttamat kuormitukset vaativat silti erilliset testit ja asianmukaisen mitoituksen. Yhden ominaisuuden parantuminen ei automaattisesti takaa suojaa kaikilta ääriolosuhteilta.

Suojarakenteet

Myös ballistiset suojalasirakenteet voisivat tulevaisuudessa hyötyä materiaalikehityksestä. Luodinkestävyys riippuu kuitenkin koko kerrosrakenteesta ja testatusta uhkatasosta. Tämä tutkimus ei osoittanut uutta luodinkestävää lasia tai sen suojaustasoa.

Yrityksiä, joille lasitutkimus voi olla merkityksellistä

Kestävämpiä lasimateriaaleja voisivat hyödyntää monet ajoneuvojen, rakennustuotteiden ja elektroniikan valmistajat. Corning on yksi alan yrityksistä, mutta tämän tutkimuksen ja sen tuotteiden välillä ei tässä osoiteta kaupallista yhteyttä.

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW ) valmistaa erikoislaseja ja lasiin liittyviä teknologioita. Sen tuotteisiin kuuluvat Gorilla Glass -suojalasit sekä näyttölasit, optiset kuidut ja muut optisen tiedonsiirron ratkaisut.

Corning tekee yhteistyötä asiakkaiden ja tutkimuskumppaneiden kanssa. Yhtiö ilmoitti lokakuussa 2024 AT&T:n (T ) kanssa tehdystä monivuotisesta hankintasopimuksesta, joka koskee valokuituja, kaapeleita ja liitäntäratkaisuja. Sopimus liittyy tietoliikenneverkkoon, ei tässä käsitellyn mallilasitutkimuksen kaupallistamiseen.

Corningilla on pitkä kokemus erikoislasien ja optisten materiaalien kehittämisestä. Sen liiketoiminnan arviointi edellyttää silti tuotteiden, kilpailun, kysynnän ja taloudellisten tulosten tarkastelua.

Corningin aiempiin yritysostoihin kuuluvat tässä mainitut SpiderCloud vuonna 2017 sekä STRAN Technologies ja Allied Fiber Optic Products vuonna 2016. Yritysostot voivat laajentaa osaamista ja asiakaskuntaa, mutta eivät yksin osoita, että GLW-osake olisi hyvä sijoitus.

Tulevaisuuden tutkimus

Tuleva työ voi selvittää, kuinka laajasti havaittu mekanismi pätee eri lasilaatuihin ja miten sitä voidaan hyödyntää materiaalien kehittämisessä. Läpinäkyvät sukellusveneet tai Auringon kuumuutta kestävät avaruusalukset eivät olleet tämän tutkimuksen osoittamia sovelluksia.

Ymmärrys voi auttaa kehittämään kestävämpää lasia

Tutkimus tuo lisää tietoa siitä, miten mallilasin sisäiset liikkeet lievittävät jännitystä. Se tarjoaa perustan jatkotyölle, jonka tavoitteena voi olla turvallisempia ja kestävämpiä materiaaleja. Kaikkien murtumiseen johtavien tekijöiden poistamista ei kuitenkaan osoitettu.

Tutustu myös muihin materiaalitieteen edistysaskeliin.

Tutkimusviite:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2025; verkkojulkaisu 2024). Kollektiiviset ei-hyppäävät liikkeet Johari–Goldstein-relaksaation ja jännitysten lievittymisen taustalla malli-ionilasissa. Acta Materialia, 284, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}