Kes vana asja meelde tuletab...

Looduskalender — Sun, 13 Sep 2009 20:41:33 +0000

Tekst ja fotod: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

… sel silm peast välja, ütleb eesti vanasõna. Pika viha pidamine pole pole tõpoolest hea – eelkõige pidajale endale. Samas on mälu inimesele üpris vajalik ja kasulik omadus. Egas ilmaasjata infosalvestus, selleks sobivad materjalid ja meetodid pole tähtsal kohal inimkonna tehnoloogilises arengus – Mesopotaamia savitahvlitest tänapäevaste DVD-de ja mälukaartideni. Infosalvestamiseks kasutatavad mälud on kas optilised, magnetilised või elektrilised. On aga materjale, mis peavad meeles … oma kuju. Sellistest materjalidest valmistatud esemeid võib tundmatuseni deformeerida, nad taastavad aga oma esialgse kuju mõningasel kuumutamisel. Teatud metallisulamite selline omadus oli tuntud juba 1930-tel aastatel, selliste materjalide kõige populaarsem ja praktiliselt kasulikeimaks osutunud esindaja avastati aga aastal 1962 USA mereväe uurimislaboris Naval Ordinance Laboratory (NOL). See lugu sobib illustreerima nii mõne teisegi avastusega kaasnenut:

· kuigi sageli on vahetu sündmus, mis viib uue avastuseni, juhusliku loomuga, poleks see saanud toimuda eelloota, mis pole kaugeltki sama juhuslik

· avastuse (leiutise) kõige olulisemad rakendused on sageli väljaspool seda ala, millega seoses see avastus tehti

Meie loo kangelaseks saanud nikli ja titaani sulamit uuriti eesmärgiga leida kuuma- ja korrosioonikindlaid materjale. (Niklist, titaanist ja Naval Ordinance Laboratory nimest tuletati ka sulami nimetus nitinol). Selleks vahetuks sündmuseks, mis viis avastusele, võib pidada juhtumit, kus NOL ühel töökoosolekul asedirektor Dr. David Muzzey kõveraks keeratud nitinoltraadi oma piibukaha kohale kuuma asetas, mispeale traat äkitselt ja ootamatu jõuga sirgestus. Sulamiga juba mõnda aega tegelenud William J. Buehlerile, nitinoli avastajale, ei tulnud aine selline käitumine aga täieliku üllatusena. Oli olemas juba mitmeid eelnevaid täheldusi, et midagi ebatavalist peab selles materjalis aset leidma. Näiteks võib tuua ebahariliku asjaolu, et kui kõrgematel temperatuuridel vastas nitinolvarras löögile puhta kauakestva helinaga, siis toatemperatuuril oli vasteks lühike tuhm kolks, nagu seda võib kuulda pliieseme pihta löömisel.

Nitinoli (ja teiste kujumäluga sulamite) ebaharilikud omadused on tingitud kahest asjaolust:

1. Nende madalatempertuurses faasis toimuv plastne (sellel temperatuuril pöördumatu) deformatsioon erineb põhimõtteliselt sellest, mis toimub enamikus teistes metallides ja sulamites. Kui viimastes on see protsess seotud teatud defektide (dislokatsioonide) tekke ja liikumisega, siis deformatsioon nitinolis toimub aine regulaarse kristallstruktuuri muutuste kaudu. Võib ette kujutada, et nitinoli madalatemperatuurses faasis võivad kristallirakud olla ühte- või teistpidi kaldu. Metallitüki kui terviku kuju muutus on siis põhjustatud lihtsalt ühte- ja teistpidi kaldu rakukeste suhtearvu muutustest.

2. Suhteliselt madalal temperatuuril toimub kujumäluga sulamites soojendamisel faasisiire, mille käigus kristalli rakukesed omandavad kuubilise kuju. Seega kaob kogu info sellest, mispidi nad madalamal temperatuuril just kaldu olid, st kaob kogu deformatsioon ja taastub esialgne olek. Temperatuur, millisel see siire aset leiab, on nitinolis Ni/Ti suhtega paarisaja kraadi piirides reguleeritav.

Kuidas saab nitinolist detailile soovitud kuju “meelde jätta”? Selleks lõõmutatakse seda fikseeritud kujul mõnda aega suhteliselt kõrgel temperatuuril (500 … 600 °C). Selle tulemusel kaovad detailist sisepinged, mis selle soovitud kujule viimisega, näiteks sirge traadi keeramisel ümber silindri vedru saamiseks, tekkisid. Pärast jahutamist ja kinnitustest vabastamist olemegi saanud näiteks soovitud kujuga vedru.

Muidugi on selliste ebatavaliste omadustega materjalil ka mitmeid rakendusi, ehk mitte väga massilisi, aga õige erinevaid: detailid, mis võtavad vajaliku kuju töötemperatuurini jõudmisel, veresooni laiendavad stendid meditsiinis, temperatuuri muutusele reageerivad termoandurid-aktuaatorid jt.

Kõrgtemperatuurses kuubilises (austeniitses) faasis on nitinolil veel üks omadus – ta ei allu Hooki seadusele. Viimase kohaselt on elastse keha deformatsioon (näiteks venitatava varda pikenemine) võrdeline seda põhjustava jõuga. Nitnoli korral võib jõud jääda konstantseks suures elastse (pöörduva) deformatsiooni ulatuses. Selliseid materjale kutsutakse superelastikuteks ja nad on leidnud kasulikke rakendusi stomatoloogias aga mujalgi (elastsed prilliraamid, mobiiltelefonide väljatõmmatavad antennid).

Aga ka meie päris igapäevases käibes on üks materjal, millele on omane kujumälu, kuigi me seda ei kasuta. Selles saab igaüks veenduda, kui võtab tühja jogurtitopsi ja asetab selle praeahju. (Peske tops enne ikka puhtaks ka.) 140 °C kraadi juures omandab tops kümnekonna minutiga tasapinnalise ketta kuju. Just selline oli materjal, millest see tops kunagi valmistati. Taolised plastid – termoelastikud – on kõrgemal temperatuuril venivas kummitolises olekus, kus neile saab hõlpsalt pressimisega soovitud kuju anda. Päras venitatud olekus mahajahutamist antud kuju säilub – kuniks me kuumutamisega ei anna materjalile uuesti seesmist vabadust taastada esialgne kuju, mis sellel kogu aeg meeles püsib. Nähtuse mikroskoopiliseks põhjuseks on polümeeri molekulaarahelate liikumisvabaduse oluline sõltuvus temperatuurist.

Täpsemat infot “Materjalimaailma” artiklist “Kujumäluga sulamid”, kust leitavad ka mõned nitinoli käitumist ilmestavad videoklipid.

Joonis 1. Pole üllatav, et allpool kujutatud vedru võib pöördumatult välja venitada nagu näha ülal. Siin on aga ülemine foto tehtud enne alumist – väljavenitatud (plastselt deformeeritud) nitinolvedru kuju taastub kuumutamisel 45 °C kraadi juures.

Joonis 2. Kujumälu on omane ka elastoplastidel. Fotol paremal kujutatud kodujuustu tops omandab esialgse tasapinnalise kuju (vasakul) pärast kuumutamist 140 °C kraadi juures.

loe edasi

Kõige kasutum materjal

Looduskalender — Fri, 03 Jul 2009 20:48:15 +0000

Tekst ja fotod: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Foto 1. Thinking Putty valgub läbi purgikaanes oleva ava. Vaevalt, et ta vaatamata oma nimetusele seejuures midagi mõtleb :).

Käib Teine maailmasõda. Võidukas Jaapan laiendab hoogsalt oma valdusi, vallutades rea riike, kes on olulised loodusliku kummi (kautšuki) tootjad. Kummipuudus annab ennast teravalt tunda USAs, kodanikke kutsutakse üles kummitooteid säästvalt kasutama ja annetama armee vajadusteks. Valitsus stimuleerib uuringuid loodulikule kummile sünteetilise asendaja leidmiseks. Sellega tegelevad ka Earl Warrick äsjamoodustatud Dow Corning’is ja General Electricu heaks töötav leiutaja James Wright. Sündinu kirjeldamiseks sobib hästi tsitaat J. R. R. Tolkienilt: “Kui sa midagi leida tahad, pole midagi targemat kui otsima hakata … Ja kui sa otsid, siis kindlasti midagi ka leiad, ehkki mitte alati päriselt seda, mida sul vaja oli.” (“Kääbik”, Lia Rajandi tõlge). Mõlemad mehed avastavad sõltumatult, et kui lisada silikoonõlile (sünteetiline räniühend) boorhapet, moodustub materjal väga iseäralike elastsete omadustega. Seda annab muljudes deformeerida nagu plastiliini, ta isegi vajub oma raskuse all laiali. Kui asetada “vedra kiti” (Silly Putty, nagu materjali inglise keeles tuntakse) kerakene lauale, saab sellest mõne aja pärast “pannkook”. Kui aga seesama kera visata vastu põrandat, põrkub ta nagu kummipall. Ja haamrilöögist puruneb selline kerake kildudeks. Võiks arvata, et nii huvitaval materjalil on palju kasulikke rakendusi. Paraku … pole neid tänini leitud. Ja Putty ainsaks kasutuseks on jäänud iseeenda tutvustamine. Paljud firmad pakuvad teda erineva nimetuste all (veel Thinking Putty, Bouncing Putty, Potty Putty) põneva “pilamaterjalina”. Täpsema ülevaate Silly Putty ajaloost võib huviline leida vastavast ingliskeelsest Wiki-artiklist. Putty on oma füüsikalistelt omadustelt hästi viskoossne vedelik. Aga väga eriliste omadustega vedelik. Enamuse tavaliste vedelike (vesi, õlid jpm) viskoossus ei sõltu sellest, kui kiiresti neid püüda liigutada. Selliseid vedelikke kutsutakse njuutoni vedelikeks - ka sellesse küsimusse jõudis suur teadlane oma panuse anda. Samas on tuntud ka nn mitte-njuutoni vedelikud, mille voolamisomadused väga tugevasti sõltuvad voolukiirusest. Silly Putty viskoossus kasvab deformatsioonikiiruse kasvades – kuni sellel määral, et hakkab käituma jäiga tahke kehana (killunemine haamrilöögist!). Samas on tuntud ka vedelikud, mille viskoossus kahaneb voolukiiruse kasvades. Sellised on näiteks nn tiksotroopsed värvid. Pintsli abil on nad hõlpsalt pinnale kantavad, ei hakka aga oma raskuse mõjul voolama ka vertikaalsel pinnal suht paksus kihis, värvikiht jääb ühtlase paksusega.

Mida siis Puttyiga teha annab?

Mõningatele katsetele on eespool juba viidatud. Veel mõned:

Voolige Puttyst “vorstikene” ja hakake seda otstest venitama. Aeglasel venitamisel võite saada vägagi pika “kitiniidi”, järsul tõmbel katkeb putty aga kohe, moodustades siledad katkemispinnad (Fotod 2, 3).
Jäljendid. Suruge Putty tükk vastu mõnda trükivärvides pilti ajalehes. Tüki eemaldamisel märkate, et selle pinnale on jäänud värviline jäljend (selleks katseks on hea kasutada valget värvi Puttyit). Võite seda siis omatahtsi deformeerida tükki venitades-kokku surudes (salenemine sekundiga!). Ühesõnaga teha käsitsi neidsamu trikke, mida arvutis mingi pildimorfimise programmi abil teha saab. Tegelikult ei korja Putty üles mitte ainult värvi, vaid ka pinna tekstuuri, paraku ei säilu see jäljend materjali voolavuse tõttu kaua (Fotod 4, 5).

“Materjalimaailma” artiklist “Silly Putty” võite saada ideesid edasisteks katsetamisteks. Ehk mõtlete lõpeks “veidrale kitile” ka mõne tõeliselt praktilise kasutuse välja? Võib veel lisada, et iseenesest on Putty värvitu mass. Et aga “puttimaaniat” kirevamaks muuta, on tootajd temasse lisanud erinevaid värve – kuni pimeduses helendavateni välja.

Kust saab? Kirjutajal puuduvad andmed, kas ehk Eestiski mõni pilapood puttyit müüb. Küll aga saab seda osta Internetist, nt aadressilt http://www.puttyworld.com/ (aga veel paljudest muudestki kohtadest).

Head puttitamist!

Foto 2. Kiirel tõmbel katkeb “puttyvorst” sedasi …

Foto 3. … aeglasel venitusel venib aga pikaks ja peeneks.

Foto 4. Sõrmejälg Thinking Putty pinnal. Detektiiv peaks aga kiire olema – kaua see seal ei püsi.

Foto 5. Aga “veider kitt” oskab veelgi peenemat tööd teha. Pildil on näha laearmatuuri peegeldus silestatud Thinking Putty pinnalt. Millest aga värvilised “varjud”? Need on lampide difraktsioonkujutised: Thinking Putty pinna vastu oli surutud reljeefne difraktsioonvõre, kus triipude vahekaugus on vaid mõned mikronid. Lühikeseks ajaks säilitab Putty pind ka nii peene reljeefi.

loe edasi

Prints Ruperti tilgad

Looduskalender — Sat, 20 Jun 2009 09:17:58 +0000

Tekst: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Fotod: Jaak Kikas ja Wikimedia

Foto 1. Ruprecht Pfalzgraf bei Rhein, Herzog von Bayern (tundmatu autori maal).

Baieri prints Rupert (Ruprecht Pfalzgraf bei Rhein, Herzog von Bayern, foto 1), kes elas aastatel 1619-1682, oli mitmekülgne mees. Muuhulgas lõbustas ta oma kaaslasi viguriga, millele tema nimi külge jäigi. Kui lasta klaasvarda kuumutamisel selle otsa moodustuv sulaklaasi tilk kukkuda vette, siis tõenäoliselt see puruneb kiirest ja ebaühtlasest jahtumisest põhjustatud sisepingete tõttu. Mõne üksikud tilgad jäävad siiski terveks – neil on voolujooneline pea, mis lõpeb pika ja peenikese sabaga (fotod 2, 3).

Foto 2. Prints Ruperti tilk – vette kukutatud tilk sulaklaasi.

Foto 3. Prints Ruperti tilgad ristatud polaroidide vahel – mehhaaniliste sisepingete poolt tekitatud optiline anisotroopia muudab need nähtavaks, meetod on tuntud fotoelastsusena.

Taolised “prints Ruperti tilgad” on harilikust klaasist märksa tugevamad ja taluvad isegi haamrilööki. Kui aga tilga tagant murda ära selle peenike saba, siis puruneb tilk plahvatuslikult peeneks klaasipuruks.

Samal nähtusel põhineb tehnoloogia, millel tänapäeval aga palju enamat ja tulusamat praktilist rakendust on ja mida klaasi karastamiseks kutsutakse. Klaas kui materjal on õige mitmete kasulike omadustega ja teoreetiliselt ka vägagi tugev. Praktikas on olukord palju vähem roosiline. Värskelt tõmmatud klaasfiibrite tugevus võib küll ületada terastraadi oma, suurematel klaasesemetel (nt tahvelklaasil) on see aga oluliselt väiksem. Eriti halvasti talub klaas tõmbepinget (venitust). Selle põhjuseks on klaasi pinnas alati leiduvad defektid, nt mikropraod. Venitusel kontsentreerub sellise prao tippu eriti tugev pinge ning pragu võib hakata levima. Klaasi struktuuri iseärasuste tõttu (erinevalt nt polükristalsetest metallidest) ei pidurda sellise prao levikut miski ja protsess lõpeb klaaseseme purunemisega. On selge, et mida suurem klaasdetail, seda suurem ka tõenäosus, et kusagil ta pinnal leidub saatuslikuks osutuv defekt. See seletab ka leektöödeldud pinnaga peenikeste klaasfiibrite erilist tugevust.

Kuidas toimub klaasi karastamine ja mistõttu see klaasi tugevamaks teeb? Tahvelklaasi karastamiseks kuumutatakse see temperatuurini üle 600 °C, mil klaas juba pehmeneb ja jahutatakse seejärel kiiresti maha puhudes klaastahvli mõlemale pinnale külma õhku. Esmalt jahutuvad maha ja jäigastuvad klaastahvli pinnad, samas kui tahvli kuumemad keskkihid on veel suhteliselt pehmed. Seejärel hakkab ka tahvli sisemus jahtuma ja seetõttu kokku tõmbuma, püüdes väliskihte piki pinda kokku tõmmata. Kuna nood on aga juba tahked ja jäigad, tekitab see pindkihtidesse sisse tugevad survepinged. Viimased muudavadki klaasi tugevamaks. Et karastatud klaasile rakendatud venituspinge muutuks klaasile ohtlikuks, peab see esmalt ületama survepinge pindkihtides. Alles siis, kui kogupinge (välisest jõust põhjustatud pinge ja vastasmärgilise sisepinge summa) ületab kriitilise väärtuse, klaas puruneb. Klaasi karastamine tõstab selle tugevust umbes 5 korda. Karastatud klaas talub haamrilööki ja seda võib päris palju paenutada (foto 4).

Foto 4. Karastatud klaasi tahvli paindumine.

Karastatud klaasi purunemisel laguneb aga terve tahvel hetkeliselt väikesteks kildudeks, mille suurus on võrreldav tahvli paksusega (foto 5). Seda võib põhjustada nt löök terava esemega – ka tahvli ühte nurka või serva. Nii väikesed killud aga pole ohtliku – seetõttu nimetatakse karastatud klaasi ka “ohutuks klaasiks” (foto 6).

Foto 5. Purunenud karastatud klaasi killud.

Foto 6. “Ohutu klaas”. Karastatud klaas talub lööke ja kui purunebki, pole tekkinud väikesed killud ohtlikud.

Eelnevast on ka selge, et karastatud klaasi ei saa enam töödelda nii nagu harilikku (lõõmutatud) klaasi – lõigata, puurida jms. Sellised operatsioonid lihtsalt purustaksid klaasi ja tuleb teostada juba enne karastamist.

Klaasi karastamisega tegelevad mitmed ettevõtted ka Eestis, nt Baltiklaas Tartus, Harjumaal tegutsev Klaasimeister ja Andrese Klaas Tallinnas. Tööstuses toimuvad karastamisega seotud operatsioonid (kuumutamine, jahutamine) muidugi ühtsel vooluliinil.

Võib veel lisada, et ülalkirjeldatud termilise karastusega sarnase efekti võib saavutada ka nn keemilise karastuse abil. Viimane põhineb ioonvahetusel – klaaseseme hoidmisel sulas kaaliumisoolas vahetavad kaaliumiioonid klaasi pindkihis välja klaasi koostisesse kuuluvaid naatriumiioone. Kuna Na⁺ ja K⁺ ioonidel on erinevad ruumalad (K⁺ ioonidel suurem), tekitab see klaasi sisepinge. Sellisel meetodil pingestatakse klaasi suhteliselt õhukene (mõnikümmend mikronit) pindkiht. Erinevalt termilisest karastamisest saab nii karastada ka keerukama kujuga (mittetasapinnalisi) ja väga õhukesi klaasesemeid. Ja kuna oluliselt on pingestatud vaid klaasi väga õhukene pindkiht, siis talub selline klaas ka lõikamist ja puurimist. Meetod ise aga on aeganõudvam ja kulukam, seetõttu on see kasutusel väiksemate esemete puhul.

Täiendav info “Materjalimaailma” artiklist “Karastatud klaas”.

loe edasi

“Vesihõbe”

Looduskalender — Sun, 07 Jun 2009 16:02:15 +0000

Tekst: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Fotod: Jaak Kikas ja Wikimedia

1. Elavhõbedatilk klaasampullis. All paremal elavhõbeda alkeemiline sümbol.

Hydrargyrum. Elavhõbe. Keemilise sümbolina Hg.Otsetõlkes ladina keelest siis “vesihõbe” või “vedel hõbe”, mis võtab kokku selle aine silmatorkavad omadused (joon 1). Elavhõbe on ainus elementaarne metall, mis on toatemperatuuril vedelas olekus (mitme metalli sulameid on selliseid küll teisigi). Elavhõbedat on inimkond tundnud juba suht ammu – metall oli teada juba Muinas-Hiinas, -Indias ja -Egiptuses. Ja pole ka midagi imestada, et alkeemikutel oli elavbõbeda märgiks planeedi Merkuuri (jumalate käskjalg, kiire Hermes-Mercurius) märk (joonisel 1 all paremal).

2. Elavhõbeda pinnal ujub terasest laagrikuul.

Normaaltingimustel on elavhõbe (tihedus 13,5 g/cm³) kõige tihedam vedelik. Nii näiteks ujub terasest laagrikuul (tihedus 7,9 g/cm³) elavhõbeda pinnal ega lähe põhja (joon 2). Tähelepanelikul vaatlejal võib seda pilti vaadates siiski tekkida üks küsimus, millest pisut allpool.

3. Evangelista Torricelli (1608 - 1647) demonstreerib oma elavhõbedabaromeetrit.

Elavhõbe on inimestele andnud kaks olulist mõõteriista – termomeetri ja baromeetri. Aastal 1643 tegi Itaalia füüsik Evangelista Torricelli järgmise katse: täitis ühes otsast suletud klaastoru elavhõbedaga ja asetas selle lahtise otsaga elavhõbedavanni (joon 3). Elavhõbesammas vajus torus allapoole, selle kohale moodustus tühjus (täpsemalt muidugi elavhõbedaaurudega täidetud ruum), samba kõrguseks üle vannis oleva elavhõbeda pinna jäi aga umbes 760 mm. Kui palju täpselt, sõltub õhurõhust. Nii sündis elavhõbebaromeeter. Ja siit ka õhurõhu levinud mõõt – millimeetrit elavhõbedasammast (mmHg). Vaadates joonist, peame hindama Torricelli julgust (võiks ka öelda – kõigi ohutustehnika reeglite eiramist) – aga tollal olid teadmised elavhõbedaaurude mürgisest toimest tänapäevastega võrreldes hoopis nigelamad.

Elavhõbeda soojuspaisumine on leidnud kasutust termomeetrites. Küllap teavad aga kõik ühte erinevust akna taga välistemperatuuri näitava piiritustermomeetri ja kraadiklaasi vahel, millega ema meil palavikku mõõtis. Kui kuumale suvepäevale järgneb jahe öö, siis langeb piiritusesammas alla – just nii palju, kui õhk jahtub.

4. Katkenud elavhõbedasammas meditsiinilise kraadiklaasi kapillaaris.

Palavikupügal jääb aga kraadiklaasile püsima, selle algseisu viimiseks tuleb kraadiklaasi raputada (sellist termomeetrit nimetatakse maksimumtermomeetriks). Kui tähelepanelikult vaadelda kraadiklaasi “kaela”, siis võib näha, et sellisel jahtunud kraadiklaasil on elavhõbedasammas kõige peenemas osas katkenud (joon 4). Mis rebis samba katki? Tuleme mõistmiseks tagasi joonise 2 juurde. Vaataja ehk märkas, et tegelikult on laagrikuulist uppunud märksa väiksem osa, kui see järeldub tiheduste erinevusest (seetõttu võiks elavhõbedast väljas olla vaevalt pool kuulist).

5. Terasest laagrikuul elavhõbedaga täidetud ampulli põhjas altvaates.

Veel suurem üllatus võib vaatlejat tabada siis, kui kuidagi siiski õnnestub kuul katseklaasi põhja elavhõbeda sissu suruda. Rauast kuuli korral saab seda suht hõlpsalt ja ohtult teha näiteks asetades elavhõbedaga kolvi alla magneti. Kui nüüd magnet ettevaatlikult eemaldada, siis kuulike … jääbki kolvi põhja! Ja seal ta tõesti istub – nagu alt vaadates (joon 5) ilusti näha on. Nii kuulikese kui katkenud elavhõbedasamba mõistatuse vastus on üks – pindpinevus. Elavhõbedal on see vee omast ligi 7 korda suurem. Me teame, et veest tihedamad väikesed esemed, mida vesi ei märga, võivad veepinnal ujuda – pindpinevusjõud suruvad neid veest välja (joon 6).

6. Vee pinnal ujuvad alumiiniummündid, mida vesi ei märga.

Rauda elavhõbe ei märga – seetõttu ujub kuulike pinnal elavhõbedasse pea vajumata. Ja vastupidi – kui kuulike on juba põhjas, siis suruvad pindpinevusjõud ta vastu põhja laskmata kerkida.

Pindpinevusjõududega seotud pinnaenergia on võrdeline pinna suurusega – seetõttu on ka elavhõbedasambal kraadiklaasi kapillaari kaelas “kasulik” katkeda – moodustub küll kaks uut pinda, kahaneb aga oluliselt elavhõbeda puutepind klaasiga.

Aga elavhõbe pole ohtlik mitte ainult inimesele vaid ka … alumiiniumile. Kuigi alumiinium on keemiliselt vägagi aktiivne element, kaitseb teda ulatuslikuma korrodeerumise eest metalli pinnale moodustunud tihe oksiidikiht (Al₂O₃). See piirab õhuhapniku juurdepääsu metallile. Kui seda kaitsekihti aga vigastada ja viia sellise vigastuse kohas alumiinium kontakti elavhõbedaga (piisab pea mikroskoopilisest tilgakesest), algab kohe intensiivne korrosioon.

7. Alumiiniumoksiidi sulgjatest kristallidest “habe” alumiiniumtraadi otsas, mille oksiidist vabastatud ots viidi kontakti elavhõbedaga.

Väliselt näeb see välja imeõrnade sulgjate oksiidikristallide moodustumisena (joon 7), mille vähemgi õhuliikumine võib purustada. Nende moodustumist aga ei pidurda miski niikaua, kui alumiinium on kontaktis elavhõbedaga.

Mis siis toimub?

Alumiinum, nagu paljud teisedki metallid (aga mitte raud – viitega meie joonistele 2 ja 4) lahutub hästi elavhõbedas, tulemusena moodustuvad nn amalgaamid. Elavhõbedatilga pinnale aga oksiidset kaitsekilet ei moodustu – alumiinumi aatomite kontaktist õhuhapnikugakasvavad seal haprad oksiidikristallid. Ja sedakaudu tilgast välja läinud alumiiniumi asemele lahustub järjest uut ja uut. Elavhõbedat ennast selles protsessis ei kulu, ta annab vaid sobiva keskkonna. Seega veel üks mõjuv põhjus (peale mürgisuse) mitte lubada lennukisse tuua elavhõbedat sisaldavaid riistu!

8. Hollandi füüsik Heike Kammerlingh-Onnes (1853 – 1926) – ülijuhtivuse avastaja.

Leideni Ülikool Hollandis. Aasta 1911. Heike Kammerlingh-Onnes (joon 8) uurib metallide elektrijuhtivust madalatel temperatuuridel. Elavhõbeda mõõtmised annavad jahmatava tulemuse: elavhõbedasamba temperatuuri langemisel alla 4,2 K kaob samba elektritakistus hüppeliselt täielikult. Elavhõbe on inimkonnale kinkinud uue nähtuse – ülijuhtuvuse, selle avastajale aga kiiresti saadud (1913) Nobeli preemia. Tänapäeval on ülijuhtivus avastatud ka paljude teiste ainete korral ja ka märksa kõrgematel temperatuuridel. Sellest aga ehk kunagi juba eraldi teemas.

9. Elavhõbedamaak kinaver (HgS).

Elavhõbedat leidub looduses ka puhtal kujul, kuigi mitte sellises koguses, nagu vene ulmkirjaniku Ivan Jefremovi jutustuses “Mäevaimud järv” (kogumikus “Viis rumbi”), tegemist on pea mikroskoopiliste tilgakestega mõnedes elahõbedat sisaldavates kivimites. Elavhõbeda tööstuslikuks allikaks on tema sulfiid (HgS) – kinaver (joon 9). Elavhõbeda tootmine teeb maailmas aga vähikäiku nii nõudluse vähenemise kui ka varude ammendumise tõttu. Elavhõbeda(aurude) mürgisus on olnud põhjuseks, miks paljud elavhõbedal baseerunud riistad (termomeetrid, baromeetrid) on asendatud teistsuguste tehniliste lahendustega. Selle arusaama hinnaks on aga olnud paljud ja paljud mürgitusjuhtumid, mõned neist vägagi massilised. Teemaga seotud hea ülevaate (ja muudki huvitavat elavhõbeda kohta) leiab huviline lugeja Hergi Kariku suurepärases raamatust “Leiutised ja avastused keemias” Ometigi on üks rakendusvaldkond, kus elavõbedat sisaldav lahendus on välja tõrjumas “elavhõbedavabat”. Jutt on hõõglampe asendavatest luminofoorsetest säästulampidest (joon 10).

10. Säästulamp. Selle 20 W lambi valgusvõimsus on sama, mis 100 W hõõglambil.

Tõsi, selline lamp sisaldab vaid imeväikese koguse (ca 5 mg) elavhõbedat ja energiaprobleemid kimbutavad inimkonda järjest tõsisemalt.

Ning lisainformatsiooni jällegi “Materjalimaailmast” – artiklist “Elavhõbe”.

loe edasi

Õige aja kristall

Looduskalender — Fri, 29 May 2009 21:33:14 +0000

Tekst: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Fotod: Jaak Kikas ja Wikimedia

Foto 1. Mäekristall on kvartsi suurekristalne erim.

Ameerika Lääs. Uncompahgre Ute suguharu indiaanlased on kogunenud oma öisele rituaalile. Meid huvitab nende tegevusest üks detail: meeste käes olevatest õhukesest pühvlinahast kõristitest kumab raputamise taktis läbi valgust. Kust see tuleb? Tegemist on triboluminestsentsiga: valgus tekib kõristites olevate kvartsitükikeste omavahelise põrkumise-hõõrdumise tagajärjel (tribo- = hõõrde-). Küllap on Ute indiaanlaste rituaal selle ebatavalise nähtuse ainus praktiline rakendus (Või kui praktiliseks saab sedagi vaimude soosingu saavutamisele suunatud tegevust lugeda?). Kvartsil aga on olnud ja on ka tänapäeval palju olulisemaid kasutusi, millest allpool.

Foto 2. Uncompahgre Ute indiaanlaste triboluminestseeruva kvartsiga kõristi.

Oma struktuurilt on kvarts kristalne ränidioksiid, SiO₂. Looduses on see üks levinumaid mineraale (kvartsliiv!), mis esineb paljude erimitena. Suurekristalne värvitu kvarts on tuntud mäekristalli nime all, suurimate looduslike kvartsikristallide mõõtmed võivad küündida mitmete meetriteni ja kaal sadadesse kilogrammidesse. Triboluminestsents on omane piimjale kvartsile. Kvartsikristalle on õpitud edukalt ka kunstlikult kasvatama.

Foto 3. Triboluminestseeruv piimjas kvarts (flash rock).

Foto 4. Piusa liivakarjäärist on kaevandatud puhast kvartsliiva.

Kvartsi on inimkond tundnud ja kasutanud juba iidsetetest aegadest peal. Kvartsmineraalid olid levinud materjaliks töö-, jahi- ja sõjariistade valmistamisel kiviajal, seda ka Eestis. Ühe sellise “kivitöökoja” vanusega ca 7000 aastat avastasid arheoloogid 2004. aastal Võrumaal Misso lähistel Siksälä Kerikumäel.

Foto 5. Väljakaevamised Siksälä Kerikumäel. 7000 aastat tagasi valmistasid tollased asukad siin kvartsist tarberiistu.

Aga täiesti uues funktsioonis on kvarts tähtis kõrgtehnoloogiline materjal ka tänapäeval. Meie järjest kiirmini “tiksuvas” ühiskonnas on õige aeg ja kellade täpne käik üha olulisem. Ja kvarts annab siin oma asendamatu panuse. Kvartsile on omane nn piesoelektriline efekt – kui kvartsikristalli deformeerida, siis tekib ta pindade vahele elektriline pinge. Ja vastupidi – kristallile rakendatud elektrilise pinge mõjul kristall deformeerub. Igale kvartsikristallikesele on omane selle kujust ja mõõtmetest sõltuv täpne võnkesagedus, sellised võnkumised on stabiilsed ja vähesumbuvad. Mehhaanilise võnkumisega kaasnevad ka elektrilised võnkumised – nii sünnib nt arvuti kõikide elementide tööd sünkroniseeriv taktsagedus. Piesoelektrilisest kvartsist konsoolid leiavad kasutust ka teravikmikroskoopias nanoteraviku ülitäpseks positsioneerimiseks.

Kvartsist on kasu mitte ainult sekundimiljondike vaid ka aastatuhandete mõõtmisel. Lihtsas efektses katses saate vastavat nähtust ka ise vaadelda. Selleks on vaid vaja kusagil pimedas ruumis ajada pliit nii kuumaks, et pimedusega harjunud silmad ehk juba õige nõrka punast kuma aimama hakkavad. Ning vistata siis pliidile näpuotsatäis liiva. Mõne hetke pärast sirab pliidiraualt teile nagu tähistaevas vastu – iga liivatera “süttib” viivuks ja kustub siis. See on termoluminestsents. Looduslikul radioaktiivsel lagunemisel vabanevad kõrge energiaga osakesed lõhuvad ajapikku kvartsi kristallstruktuuri, tekitades sellesse defekte. See on salvestunud energia, mis võib vabaneda valgusena kristalli kuumutamisel. Kuumutamine kõrvaldab defektid ja nullib termoluminestsentskella, mis hakkab ennast aja jooksul siis uuesti “üles laadima”. Seega mõõdab termoluminestsentsi intensiivsus aega kristalli viimasest kuumutamisest. Selleks võis näiteks olla keraamika põletamine, mis annab arheoloogidele võimaluse keraamika vanuse määramiseks. Kella võib nullida ka pikem viibimine päikesevalguse käes – asjaolu, mis huvitab jõesetetega tegelevaid geolooge. (Seetõttu peaks ka ülalkirjeldatud katses kasutatav liiv pärinema kusagilt valguse eest varjatud olnud kohast.)

Kvartsi struktuuris võivad säiluda mälestused ka palju kaugematest ja võimsamatest sündmustest – hiidmeteoriidi langemisega kaasnev lööklaine (ülikõrge rõhk) jätab kvartsikristalli spetsiifilised jäljed, mida saab mikroskoopiliste uuringutega avastada. Selliselt deformeerunud kvartsiterakesi leitakse üle kogu maailma maakoorekihis, mis on rikas ka haruldasest elemendist iriidumist. Need kaks asjaolu koos viitavad 65 miljonit aastat tagasi Yucatani poolsaart tabanud iriidiumirikkale hiidmeteoriidile, mis jättis endast järele 180 km läbimõõduga Chicxulub kraatri (Vt Google Maps).Milline oli selle sündmuse panus dinosauruste väljasuremisse, on jätkuvate teaduslike vaidluste objektiks. Aga kõige hilisem löökdeformeeritud kvarts on juba inimeste kätetöö. 1962. aastal korraldati Nevada katsepolügonil pinnalähedane tuumakatsetus, mis on tuntud Storax Sedani nime all (Vt Google Maps). See oli enim keskkonda saastanud tuumakatsetus Ühendriikides ning katsetuse paigast on avastatud ka kvartsi löökmetamorfe.

Foto 6. Storax Sedani tuumakatsetus.

loe edasi

Üks kummaline aed

Looduskalender — Sun, 03 May 2009 09:09:22 +0000

Tekst: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Fotod: Jaak Kikas ja Wikimedia

“Keemiline aed”: vasksilikaadi “kasvud” vesiklaasi lahuses.

Rääkisime eelmises loos, et kvartsklaasi saamiseks on vajalikud vägagi kõrged temperatuurid (kristalliline kvarts sulab temperatuuril 1700 °C). Looduslik kvartsklaas tekib seetõttu vaid suht erandlikes olukordades (vulkaanipurse, hiidmeteoriidi langemine, liiva tabanud välgulöök). Ja vaevalt oleks klaas tänapäevast laialdast kasutust leidnud, kui see nii oleks jäänud.

Aga inimene on leidlik. Küllap jääbki igaveseks saladuseks, kuidas ta täpselt selleni jõudis, aga umbes 5500 aastat tagasi avastati Egiptuses, et mõnede ainete (sooda, potas) lisamisega kvartsliivale õnnestub seda sulatada oluliselt madalamal temperatuuril ja sellise sulamassi jahutamisel saada kõva läbipaistev materjal, mida me tänapäeval klaasina tunnemegi. Lisaks nimetatud ainetele lisatakse klaasi sulatamiseks segusse veel lupja (või lubjakivi).

Aga kui viimast mitte lisada? Siis saadakse kah klaas, ainult et selline klaas… lahustub vees. Vesiklaasi nimetust see lahus kannabki. On selge, et õige paljude levinud rakenduste (aknaklaas, klaasnõud) tarbeks ei kõlba selline klaas kuhugi. Aga päris tulutu pole temagi. Kui vesiklaasi kanda mineraalsele aluspinnale (krohvile), moodustub selle reageerimisel mineraalse aluse ja õhus sisalduva süsihappegaasiga ilmastikukindel pinnakate, mis laseb samas aga hästi läbi veeauru. Nn silikaatvärvides sellist protsessi kasutataksegi. Ja oli (vanemad lugejad ehk mäletavad) kunagi liim, mis kontoriliimi nime kandis –oli seegi vesiklaas. Polnud just suuremat asi liim – rikkus paberit ja vananedes kippus purenema, aga mingiks ajaks ajas asja kuidagi ära.

Nüüd aga siis aiast. “Keemiline aed” (inglise keeles chemical garden) on efektne keemiakatse, mida kõigil huvilistel pole keeruline ka ise korralda. Vaja on muretseda ehituspoest purk vesiklaasi – mida läbipaistvam, seda parem, siis on lihtsalt kõik paremini näha. Seda võiks veega veel 5-6 korda lahjendada. Nüüd läheb vaja mõningate metallide soolasid, mille silikaadid pole vees lahustuvad. Keedusool ei kõlba, aga aianduses kasutatav vaskvitriol (CuSO₄·5H₂O), samuti elektroonikas trükiplaatide söövitamiseks kasutatav raud(III)kloriid sobivad hästi, hea on ka kaltsiumkloriid. Võtate siis mõned nende soolade terakesed (tahked, mitte lahused) ja viskate oma lahjendatud vesiklaasi sisse.

“Liigirikkam aed”: valged “kasvud” kuuluvad kaltsiumkloriidile (CaCl₂), sinised koobaltkloriidile (CoCl₂) ja keskmine jäme punakaspruun “võrse” raud(III)kloriidile (FeCl₃).

Aga las räägib edasi suur kirjanik:

“Kristallisatsiooninõu, milles kõike seda näha võis, oli kolmveerandini kergelt limase veega, nimelt lahjendatud vesiklaasiga täidetud ja liivasest põhjast pürgis ülespoole eri värvi taimede pisike groteskne maastik, vegetatsioonisasi sinistest, rohelistest ja pruunidest võrsetest, mis meenutasid vetikaid, seeni, paigalpüsivaid polüüpe, samuti samblikke, merikarpe, viljapäid, puukesi – kõige kummalisemat, mis eales mu silma alla sattunud: kummalist mitte niivõrd oma tõepoolest veidra ja hämmastava välimuse, kuivõrd oma sügavalt nukra loomu poolest. Sest kui isa Leverkühn meie käest küsis, mida me sellest arvame, ja me kõheldes talle vastasime, et need on ehk taimed, ütles ta: “Ei, seda nad ei ole, teevad ainult niisuguse näo. Aga ärge neist seepärast vähem lugu pidage! Just seetõttu, et nad niisuguse näo teevad ja kõigest hingest selle poole püüavad, väärivad nad lugupidamist.”

Tuli välja, et need taimed on täielikult anorgaanilist päritolu, tehtud ainete abil, mis apteegist “Õndsad Käskjalad” saadud. Enne kui Jonathan vesiklaasilahuse peale valas, oli ta nõu põhjas asuvale liivale puistanud mitmesuguseid kristalle, kui ma ei eksi, siis kroomhappekaaliumi ja vasesulfaadi omi, ja sellest külvist oli “osmootiliseks rõhuks” nimetatava füüsikalise protsessi tulemusel tekkinud too haletsusväärne aretis, millele tema hooldaja kohe veel tungivamalt meie sümpaatiat püüdis võita. Ta näitas meile nimelt, et need kurvad elujäljendajad olid valgushimulised, “heliotroopsed”, nagu teadus elust seda nimetab. Katnud akvaariumi kolm külge kinni, asetas ta selle päikesevalguse kätte, ja ennäe, kogu see kahtlane klikk – kõik need seened, falloslikud polüübivarred, tillukesed puud ja vetikalibled koos lõpuni vormimata ihuliikmetega – kallutas end klaasanuma selle tahu poole, mille läbi langes valgus, pealegi niisuguse sooja- ja rõõmuihaldusega, et nad lausa klammerdusid ja kleepusid klaasruudu külge.

“Ja seejuures on nad ju surnud,” ütles Jonathan ning pisarad tungisid talle silma, kuna Adrian, nagu ma hästi nägin, tagasihoitud naerust vappus. Mis minusse puutub, siis arvan, et jäägu igaühe enda otsustada, kas nutta või naerda. Ütlenainult ühte: taolisi lummutisi esineb üksnes looduses ja eriti just inimese poolt kiusatud looduses. Väärikas humanitaarteaduste valdkonnas ollakse seesuguste kummituste eest kaitstud.”

Thomas Mann “Doktor Faustus”

(tõlge Helga Kross), ER, 1987 (lk 21-22)

Küllap pidi see katse olema kunagi ka Nobeli kirjanduspreemia laureaati ennast võlunud, et ta oma teoses sellele nii pika ja põhjaliku lõigu pühendas. Olgu siis raamatu minategelase dr. phil. Serenus Zeitblomi lõppjäreldustega nii nagu just on.

Veidi võiks ehk lisaks seletada. Sattudes veekeskkonda, hakkab sool kohe lahustuma. Samas reageerivad aga lahustunud metalliioonid vesiklaasis olevate silikaatioonidega ja soolakristalli ümber moodustub imeväikestest metallsilikaadi kristallikestest tihe kiht (kile). Veemolekule selline kiht siiski läbi laseb – vesi tungib kile sisse. Metalliioonid aga, mille ümber on veemolekulidest “kasukas” (solvatatsioon), välja ei pääse. Tulemusena hakkab kile sees rõhk kasvama. See on nähtus, mida tuntakse osmoosina ja mis toimib ka eluslooduses – tänu osmoosile jõuab vesi pinnasest ka saja meetri kõrguste hiidpuude latvadesse. Kristalne silikaatkile ei pea aga ühel hetkel veesurvele vastu ning puruneb. Vesiklaasi paiskub metalliioonidest rikas lahus, need reageerivad kohe silkaatioonidega ja kogu protsess kordub. Tulemusena tekkivad vägagi elusloodust meenutavad torujad moodustised, mille värv ja kuju sõltuvad kasutatud soolast.

Mida öelda kokkuvõtteks? Ehk seda, et kõik, mis näib, pole alati päris. Aga võib küsida ka vastupidi. Oletame, et me kunagi tulevikus leiame kusagil väljaspool Maakera (näiteks “kaunil kaugel veidral” planeedilGliese 581c) mõnesuguse ebatavalise nähtuse. Mis lubaks meil seda nimetada eluks? Või mis sellisest nimetusest keelduda?

Vaata ka Materjalimaailm: Vesiklaas.

loe edasi

Kõige salapärasem materjal: Liibüa kõrbeklaas

Looduskalender — Mon, 13 Apr 2009 20:49:35 +0000

Tekst: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Fotod: Jaak Kikas ja Wikipedia

Tükk Liibüa kõrbeklaasi. Materjali suure puhtuse tõttu kumab valgus sellest tugevasti läbi.

Aasta 1932. Kõrbeuuringute ekspeditsiooni Patrick A. Claytoni juhtimisel avastab Lääne-Egiptuses Liibüaga piirnevast kõrbest midagi ebatavalist. Suhteliselt piiratud alalt leiti ülipuhta (ca 98%) loodusliku kvartsklaasi kamakaid, suuremate kaal nendest küündis mõnekümne kiloni. Sellisena on see leiukoht jäänud maailmas ainulaadseks. Leiupiirkond on ovaalne ala mõõtmetega 130 x 50 km (Google Maps). Loodusliku radioaktiivse lagunemise jälgede järgi klaasis on kindlaks tehtud, et sündmus – mis iganes see siis oli – mis klaasi tekitas, toimus 28 miljonit aastat tagasi.

Mis see olla võis? Looduslik kvartsklaas võib pärineda mitmest allikast. Esmalt vulkaaniline klaas ehk obsidiaan. See aga sisaldab ohtralt lisandeid, mis ta pea mustaks värvivad. Ja Liibüa kõrbeklaasi leiuala lähedal pole teada ka ühtegi vulkaani – ei tegutsevat ega suikuvat. Kaunis puhas kvartsklaas võib moodustuda ka kvartsliiva tabava välgulöögi tagajärjel. Sellised moodustised – fulguriidid – on aga äratuntava spetsiifilise kujuga ja väiksemad kui kõrbeklaasi suuremad kamakad.

Tükike moldaviiti.

Üle jääb veel üks tekkevõimalus – meteoriitne. Maailma pea kõikidel mandritel on teada selliselt tekkinud loodusliku kvartsklaasi – tektiitide - leiukohti. Euroopas on tuntuimateks tektiitideks moldaviidid, mis oma ilusa roheka värvuse tõttu on ka dekoratiivset kasutust leidnud.

Moldaviitide tekkepõhjuseks peetakse hiidmeteoriidi langemist 14,3 ... 14,5 miljonit aastat tagasi praeguse Baierimaa aladel (Nördlinger Riesi ringvagumik). Kokkupõrkel maapinnaga ülespaisatud sula liiv langes maha praeguse Böömimaa ja Moraavia (Tšehhi Vabariik) aladele, mida läbib Vltava (saksa Moldau) jõgi. Probleemiks Liibüa kõrbeklaasiga on (oli) aga asjaolu, et lähikonnas polnud identifitseeritud ka ühtegi meteoriidikraatrit, mida oleks saanud siduda klaasi tekkega. Seetõttu oli kõrbeklaasi tekkeks välja pakutud kõige erinevamaid võimalusi – alates mingist madalatemperatuursest keemilisest (sool-geel) protsessist kuni muinastsivilisatsioonide tuumasõjani (ärgu lugeja võtku eelnevas sisaldunud viidet kõrbeklaasi vanuse määramise meetodile selle väite kinnitusena) või Maa kokkupõrkeni mõne ebatavalisest mateeriast koosneva taevakehaga.

Kebira kraater. Kas siin sündiski Liibüa kõrbeklaas?

Hiljaaegu on kõnealuses piirkonnas kosmosefotode põhjal siiski sedastatud struktuur, mida on seostatud Liibüa kõrbeklaasi tekkega . See on 31 km läbimõõduga osaliselt nähtav ringstruktuur, millele avastajad - Farouk El-Baz ja Eman Ghoneim Bostoni Ülikoolist - andsid nimeks Kebira kraater (Google Maps). Farouk El Baz oli, muideks, tegev NASAs omaaegsete Apollo Kuu-missioonide maandumiskohtade valijana. Kas Kebira korral on tõepoolest tegemist meteoriidikraatriga ja kas selle teke võis olla ka Liibüa kõrbeklaasi sünnitaja – need on küsimused, millele ilma kohtuuringuteta vaevalt, et vastata saab. Senini need vastused veel puuduvad.

Püha skarabeus Tutanhamoni rinnaplaadil on välja nikerdatud Liibüa kõrbeklaasist.

Miks võib Liibüa kõrbeklaasist rääkida kui materjalist, st kui lähteainest, mida on kasutatud millegi valmistamiseks? Kui Howard Carter avastas aastal 1922 Egiptuse vaarao Tutanhamoni rüüstamisest puutumata haukambri, siis oli hauakambri loendamatute aarete hulgas ka vaarao rinnaplaat, millel oleva Egiptuse püha putuka – skarabeuse – kujutis oli nikerdatud tundmatust kivimist. Alles märksa hiljem (1998) tegi Itaalia mineraloog Vincenzo de Michele kindlaks, et see materjal oli Liibüa kõrbeklaas. Aga viimase kasutused ulatuvad palju varasemasse aega - on leitud jälgi materjali kasutusest kohalike asukate poolt neoliitikumis ja varemgi veel. Nagu obsidiaangi, annab ka Liibüa kõrbeklaas purustamisel teravate servadega kilde ja sobib suurepäraselt erinevate “kivist” töö-, jahi- ja sõjariistade valmistamiseks.

Kiviaaja high-tech – obsidiaanist nuga.

Oi-oi, võiksime hüüatada – kuidas siis tohib sellist haruldust nii labasel eesmärgil kasutada? Aga kust võisid selle piirkonna kiviaegsed asukad teada, et asi´, mida nende “koduõuel” kõikjal vedeleb, maailmas nii haruldane on? Või vastupidi – ehk võiksime meie siit mõningat õppust võtta ja mõelda asjade peale, mis tulevikus õite haruldasteks võivad osutuda. Kuigi tänapäeval jalge all vedelevad.

Vaata ka Materjalimaailm: Liibüa kõrbeklaas / Obsidiaan.

loe edasi

Materjalid maailmas ja “Materjalimaailmas”

Looduskalender — Sat, 04 Apr 2009 10:30:00 +0000

Tekst ja fotod: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

Meie maailm on materjalide maailm. Meie ajalugu on materjalide ajalugu (räägime kiviajast, räägime rauaajast!). Vähema kui sajakonna erineva keemilise elemendi aatomitest moodustuvad lõpmatud kombinatsioonid on andnud meie käsutusse tohutu ja järjest pikeneva nimistu kõige erinevamatest materjalidest. Mõned neist tuntud juba iidsetest aegadest, aga teenimas meid tänaseni. Mõned just äsja väljunud teaduslaborite ustest. Mõned säilitanud suuresti oma loodusliku kuju, mõned tundmatuseni muudetud, ehk lausa aatomhaaval uuesti kokku pandud. Me suudame seda, mida suudavad meie materjalid. Ja mida nad ei suuda … seal on ka meie suutmiste piirid. TÜ füüsikaprofessori Jaak Kikase koostatud-toimetatud veebikohas “Materjalimaailm” on käsitlust leidnud sadakond erinevat materjali, nii looduslikku kui tehisliku päritoluga. Viimased iseloomustavad inimkonna materiaalset kultuuri selle algusaegadest kuni tänase kõrgtehnoloogilise ühiskonnani. Sellest kuust alates alustab nende tutvustamist ka “Looduse kalender”. Head lugemist!

UV-valguses ilmneb paljudel skorpioniliikidel kitiinkesta intensiivne sinine fluorestsents. Fotol on imperaatorskorpion Pandinus imperator TÜ zooloogiamuuseumis. Skorpioniküttide kasu võib mõista, mis tulu sellest aga skorpionil olla võiks?

Luminofoorid

Asjaoluga, et teatud kehad võivad kiirata valgust, mille spekter ei vasta üldsegi nende temperatuurile (luminestents - “külm valgus”), puutus inimene küllap esmakordselt kokku jälgides merehelendust või jaanimardikate lendu. Kuigi ka seda nähtust – bioluminestsentsi – on pisut praktiliseltki kasutatud, algab luminofooride “pärisajalugu” nn Bologna kivi leiutamisega Itaalia saapaparandaja ja amatööralkeemik Vincenzo Cascariolo poolt aastal 1603. Luminestsentsi tänapäevase teadusliku mõistmiseni jõuti aga sootuks hiljem -19. sajandi keskel inglise füüsiku Sir George Gabriel Stokes töödes. Varase panuse luminestsentsinähtuste uuringutesse on andnud ka üks Eestimaalt pärist mees – Saksamaal füüsikuks saanud Thomas Johann Seebeck. Seebecki tööd on dokumenteeritud Johann Wolfgang von Goethe “Värvusõpetuse” (“Zum Frabenlehre”, 1810) viimases peatükis – eestikeelses tõlkes on see leitav “Materjalimaailma” veebikohas. Kaasaegsete luminestentsiuuringute algus Eestis on seotud Fjodor Klementi, Karl Rebase ja Tšeslav Luštšiku nimedega, kelle tööd jätkavad nende õpilased TÜ Füüsika Instituudis. Luminestsents on paljutahuline nähtus. Vajalikku energiat võib see ammutada erinevatest allikatest – erineva spektriga valgusest (nt ultraviolettkiirgusest), elektrivoolust, keemilisest energiast, soojusest (termoluminestsents – mida aga ei tohi segi ajada soojukiirgusega) või isegi ultrahelist. Erinevad on ka materjalid (luminofoorid), mis eri liiki luminestsentskiirgust annavad. Nendeks võivad olla nt pika (üle 10 tunni) järelhelendusega anorgaanilised fosfoorid või teisalt nn neoonvärvides või moodsates pesupulbrites “optiliste valgendajatena” kasutatavad orgaanilised fluorofoorid, mille kiirgus kustub nanosekunditega pärast välise ergastava valguse kadumist.

TÜ Füüsika Instituudi ioonkristallide füüsika laboris sünteesitud-uuritud monokristalsed ja pulbrilised luminofoorid UV-valguses.

Luminestsentsi ja luminofooride arvukad tänapäevased rakendused ulatuvad meditsiinist ja molekulaarbioloogiast (luminestentsmarkerid) info kuvamiseni kineskoopides – nii “Pealtnägija” kui “Saladused” jõuavad meieni (st nendeni, kes vaatavad) läbi teleriekraanil kiirgavate luminofooride. Arheoloogidel aitab luminestents määrata muistse keraamika vanust, kriminalistid leiavad luminooli kemoluminestsentsi abil üles muidu märkamatud verejäljed. Geenitehnoloogia võimekusest ja võimalustest annavad tunnistust erinevad organismid (taimed, loomad), mis on pandud helendama tänu nende genoomi sisestatud geenidele, mis sunnivad organismi sünteesima erinevaid bioorgaanilisi fluorofoore. Stsintilaatorites aitab luminestsents registreerida kõrge energiaga osakesi, transformeerides nende energiat nähtavaks valguseks. Vahetut kasu maksumaksjale (vist küll mitte veel Eesti maksumaksjale) annavad sellised seadmed meditsiinilisest kuvamises (positrontomograafia - PET) aga ehk lahendatakse nende abil kunagi ka Universumis levinud salapärase “tumeda aine” mõistatus. Ja küllap kõige olulisem: tänapäeva info- ja kommunikatsioonitehnoloogiate ühe nurgakivi – laserite – kiirgus sünnib esmalt luminestentskiirgusena, millest optiline skeem (resonaator) valib välja vajaliku lainepikkusega valguse. Kindlasti muutub tulevik veelgi “luminofoorsemaks” EL suunise tõttu asendada hõõglambid märksa energiasäästlikumate luminofoorlampidega (“säästulambid”). Enamat materjali ja viiteid täiendavatele teabeallikatele leiab huviline “Materjalimaailma” artiklist “Luminofoorid”.

Moodsates luminestentsiuuringutes kasutatav Raman – fluorestsentsmikroskoop TÜ Füüsika Instituudi laserspektroskoopia laboris.

loe edasi