Ihmemateriaaliksikin nimetyn hackmaniitin kestävyyttä selvittäneet tutkijat havaitsivat, että hackmaniitti sekä kaksi muuta tutkittua mineraalia voivat UV-säteilyn vaikutuksesta vaihtaa väriä toistuvasti, ilman että niiden rakenne kuluu tai ominaisuus heikkenee. Tulokset osoittavat, että edullinen sekä helposti valmistettava hackmaniitti on kannattava materiaali myös sen erinomaisen kestävyyden vuoksi.
Turun yliopistossa tutkimusryhmä on selvittänyt ja kehittänyt ihmemateriaali hackmaniitin ominaisuuksia pitkään. Hackmaniitille on kehitetty jo lukuisia eri sovelluksia, kuten UV-säteily- ja röntgenmittauslaitteet, joissa hyödynnetään materiaalin värinvaihto-ominaisuuksia.
Hackmaniitti vaihtaa väriään UV-säteilyn vaikutuksesta. Mineraalin värin palautuminen ennalleen sekä värinvaihto-ominaisuuden pysyvyys on kuitenkin askarruttanut tutkijoita, eikä tähän asti ole tiedetty, mikä materiaalin rakenteessa mahdollistaa mineraalin värin vaihtumisen ja ennalleen palautumisen.
Nyt tutkijat tutkivat kolmea luonnonmineraalia, hackmaniittia, tugtupiittia ja skapoliittia, ja selvittivät mikä niiden rakenteessa selittää sen, että kyseiset materiaalit voivat vaihtaa väriään palautuvasti.
Tutkijat osoittivat hackmaniitin värinvaihto-ominaisuuden erittäin pysyväksi
Tutkitut väriä vaihtavat mineraalit lukeutuvat epäorgaanisiin luonnonmateriaaleihin, jotka eivät sisällä mitään elolliseen luontoon kuuluvia yhdisteitä. On kuitenkin olemassa myös orgaanisia yhdisteitä, hiilivetyjä, jotka vaihtavat säteilyn vaikutuksesta väriä palautuvasti.
Hiilivedyissä värin vaihtoa ei kuitenkaan voida tehdä monta kertaa, koska lopulta väriä vaihtavat molekyylit hajoavat. Tämä johtuu siitä, että värin vaihtumisen seurauksena väriä vaihtavissa hiilivedyissä niiden rakenteissa on valtava muutos, jota toistettaessa molekyyli lopulta hajoaa.
– Tässä tutkimuksessa saimme ensimmäisinä selville, että myös näissä kolmessa mineraalissa tapahtuu rakenteen muutosta värjäytymisprosessissa. Mineraalien vaihtaessa väriä natriumatomit siirtyvät kohtalaisen pitkiä matkoja ja palautuvat takaisin. Tätä voidaan sanoa rakenteelliseksi hengittämiseksi. Nämä mineraalit eivät kuitenkaan hajoa vaikka tuo "hengittäminen" toistuisi hyvin monta kertaa, kertoo professori Mika Lastusaari.
Mineraalien kestävyys johtuu Lastusaaren mukaan siitä, että näissä mineraaleissa on samanlainen kolmiulotteinen vahva huokoinen häkkirakenne kuin zeoliitti-mineraaleissa. Esimerkiksi pyykinpesuaineissa kyseinen häkkirakenne mahdollistaa sen, että zeoliitti voi sitoa tiukasti itseensä pesuvedestä magnesiumia ja kalsiumia.
– Näissä väriä vaihtavissa mineraaleissa kaikki värin vaihtoon liittyvä toiminta tapahtuu zeoliittisen häkin huokosissa, joihin on sijoittuneena natrium- ja rikkiatomeja. Häkkirakenne siis mahdollistaa sen, että värin vaihtumiseen vaadittavaa atomien ja elektronien liikettä on vain huokosissa, kun taas häkkirakenne pysyy vahvana ennallaan. Mineraalit voivat näin vaihtaa väriään ja palautua ennalleen kulumatta käytännössä loputtomasti, väitöskirjatutkija Sami Vuori havainnollistaa
Aikaisemmin on tiedetty, että skapoliitti vaihtaa väriään huomattavasti nopeammin kuin hackmaniitti ja tugtupiitti taas on huomattavasti hitaampi.
– Tämän työn tulosten perusteella selvisi, että värin vaihtumisen nopeuteen vaikuttaa se miten laajoja atomien liikkeitä tarvitaan. Nämä havainnot ovat merkittäviä tulevaisuuden materiaalikehityksen kannalta, koska nyt tiedämme mitä isäntärakenteilta vaaditaan, jotta värin vaihtumisen ominaisuuksia saadaan hallittua ja räätälöityä, toteaa väitöskirjatutkija Hannah Byron.
– Väriä vaihtavien mineraalien toiminnan mekanismin selvittämiseen ei ollut olemassa tutkimusmenetelmiä, joten olemme kehittäneet niitä itse. Tulosten yksiselitteinen tulkinta on kuitenkin hankalaa pelkästään kokeellista datasta. Tämän työn tuloksiin ei olisikaan päästy ilman teoreettisten laskelmien apua, sillä vain laskennalliset ja kokeelliset tulokset yhdessä selvittivät asian. Tästä kuuluu suuri kiitos yhteistyökumppanillemme professori Tangui Le Bahersille ja hänen tutkimusryhmälleen. He ovat kehittäneet tähän sopivia laskentamenetelmiä muutaman viime vuoden aikana huomattavasti, Lastusaari toteaa.
Artikkeli on julkaistu kesäkuussa PNAS-julkaisussa: https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2202487119
Kansainväliseen tutkimusryhmään osallistuivat Turun yliopiston älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä sekä materiaalitutkimuksen laboratorio. Lisäksi mukana olivat University Claude Bernard Lyon 1 sekä Antwerpenin mineraloginen yhdistys.
