Mašīnas, kas naktī spīd?

Fizikas doktors Aleksejs Zolotarjovs kopā ar kolēģiem rada gandrīz vai mūžīgus pārklājumus ar luminiscējošām īpašībām. Nākotnē šādus spīdīgus materiālus varētu izmantot automašīnu un ceļazīmju ražošanā

Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta pētnieki un zinātnieki ar optiskajiem materiāliem darbojas jau gadu desmitiem. Institūta vadošais pētnieks Aleksejs Zolotarjovs piemin blakus telpā strādājošo fizikas doktoru Donātu Milleru, kurš te darbojas jau kopš 1976. gada, kad institūtu uzbūvēja. «Arī citi kolēģi strādā ar optiskajiem materiāliem. Viņi apskata kristāliskās struktūras, vai arī kontrolēti ietekmē tās un ar optiskām metodēm pēta, kādi procesi tajās notiek,» skaidro Aleksejs. 

Pirms kāda laika viens no kolēģiem ierosinājis sīkāk papētīt procesu pārklājumu veidošanai jeb plazmas elektrolītisko oksidēšanu. Šis process pirmo reizi literatūrā bija aprakstīts 80. gados, bet plaši pamanīt to sāka tikai ap 2000. gadu. «Kolēģis ierosināja — varbūt gribam pamēģināt šīs kristāliskās struktūras izveidot tā, lai tās arī spīd? Protams! Mēs tādas idejas nelaižam garām,» stāsta Zolotarjovs.

Vispirms zinātnieki sazinājās ar dažādiem uzņēmumiem un noskaidroja, kurš no tiem var izgatavot speciālu barošanas bloku, kas ļautu šo metodi vispār pielietot. «Uzņēmumu atradām, uzrakstījām projektu, sarēķinājām izmaksas, tikām arī pie barošanas bloka. Šajā laboratorijā pirmo reizi pasaulē izmantojām plazmas elektrolītisko oksidēšanu pārklājumu izgatavošanai tieši ar mērķi pētīt to optiskās īpašības un vēlāk pielāgojām to konkrētam mērķim — lai iegūtu no tā specifiskas optiskās īpašības. Apskatījāmies, kā materiāls spīd, un mēģinājām to kaut kā modificēt. Rezultātā sapratām, ka modifikācijas iespējas ir ļoti lielas — tajā var ielikt daudzas interesantas lietas.»

Kā skaidro Aleksejs, zinātnieki apmēram sapratuši, kā šis process strādā, izveidojuši teorijas un pieņēmumus. Tad ar dārgām un specifiskām iekārtām veica dažādus mērījumus un analīzes, raugoties, kā veidojas struktūra. Atkārtoja to visu vēl un vēl, ik reizi iegūtos datus pierakstot un analizējot, līdz sapratuši, ka var uztaisīt ļoti sarežģītas struktūras — kompleksos oksīdus. 

Piemēram, stroncija aluminātu. «Šis kompleksais oksīds sastāv no stroncija, alumīnija, un tajā iespējams «ielikt» arī disproziju, eiropiju un citus atomus precīzi tā, kā mēs gribam. Ar to varam izveidot struktūru, kas spīdēs vai uzkrās enerģiju no kādas gaismas (UV gaismas, saules vai rentgena starojuma) un pēc tam to pakāpeniski izstaros, veidojot ilgspīdošo luminiscenci,» paskaidro Aleksejs. Tā zinātnieku rokās parādījusies tehnoloģija, ar kuru iespējams saražot ne tikai izturīgus un komerciāli interesantus pārklājumus alumīnija virsmas aizsardzībai pret temperatūras un vides iedarbību, bet arī tādus, kas spīd tumsā.

Ilgmūžības recepte

Kā tikt pie šāda ilgmūžīga un turklāt vēl spīdoša materiāla? Ir jāņem detaļa, kas izgatavota no ventiļmetāla (sakausējumu grupa, kurā iekļaujas alumīnijs, cinks, titāns u. c.). Tas ir metāls, kuram jau dabīgi uz virsmas veidojas oksīdu slānis. Pēc tam ņem spēcīgu barošanas bloku, kurš var saražot vismaz 600 voltus un vienu ampēru uz vienu detaļas kvadrātcentimetru. Piemēram, lai izgatavotu automašīnu detaļas, būtu nepieciešami milzīgi barošanas bloki. «Vēl nepieciešams tā dēvētais otrais kontakts, kas var būt jebkāds — tērauda vanna, platīna gabals u. c.»

Un, protams, nepieciešama arī vide, kurā sarežģītajam procesam notikt. Par vidi parasti kalpo sālīts ūdens. Laboratorijas apstākļos izmanto dejonizētu ūdeni, kam kontrolēti, lai ūdens iegūtu vajadzīgo vadītspēju, pievieno kādu sāli. «Tad ņemam tvertni, ieliekam tajā minēto vidi, kuru dēvē par elektrolītu, un mūsu detaļu kā vienu no barošanas bloka kontaktiem. Kā otru barošanas bloka kontaktu liekam elektrodu, izmantojot vai nu to pašu tvertni, ja tā ir no metāla, vai platīna gabaliņu.» Voilà! Ieslēdzot barošanas bloku ar pareiziem parametriem, pēc dažām minūtēm iegūstam pārklātu detaļu.

Jāpiebilst, ka līdz šim fizikā jau bija pazīstams plazmas elektrolītiskajai oksidēšanai līdzīgs detaļu apstrādes process — anodēšana. Faktiski tas pats, tikai ar krietni mazākām jaudām un vājāku barošanas bloku izmantošanu. Atšķirībā no plazmas elektrolītiskās oksidēšanas anodēšanu izmanto ļoti plaši. Piemēram, iPhone un MacBook virsmas pārklāšanai. Tāpat anodēšanu izmanto durvju rokturu, pogu un citu detaļu apstrādei. 

Ko tā dod? «Līdzīgu aizsardzību kā mūsu pārklājums, bet ne tik labu. Pasargā detaļas no rūsas,» paskaidro pētnieks. «Pliks» alumīnijs ar laiku oksidējas — pārklājas ar tādu kā baltu pulveri un zaudē pievilcību. Bet iPhone izskatās labi arī pēc pieciem gadiem, jo tiem ir anodēšanas pārklājums.

Plazmas elektrolītiskās oksidēšanas procesā barošanas bloks vispirms izveido anodēšanas oksīda slāni un pēc tam cauri šim slānim sāk sist izlādes. «Tāpēc, ka alumīnija oksīds ir dielektrisks (nelaiž cauri elektrību), bet mēs spiežam tam izlaist cauri elektronus, tie izlaužas ar tādu spēku, ka no elektriskās izlādes rodas elektriskā plazma. Šajās izlādēs, tāpat kā dabā sastopamajā zibenī, ir superliela temperatūra. Oksīds izkūst, iegūstam šķidro alumīniju, kurš pēc mirkļa elektrolīta ietekmē oksidējas pareizā struktūrā. To darot pareizi, šo procesu varam kontrolēt,» skaidro zinātnieks.

Svarīgi uzsvērt, ka jauniegūtais pārklājums veidojas visās materiāla detaļās — vai tas būtu kāds superass leņķis vai iedobe. «Ja mēģināsit veidot krāsas pārklājumu, ar to būs jāpārklāj katra materiāla detaļa atsevišķi. Ja ir sarežģītas detaļas, tas var būt grūti, pat neiespējami. Savukārt šajā gadījumā visur, kur ticis klāt elektrolīts, būs izveidojies pārklājums,» uzsver Aleksejs.

Mūžīga virsbūve?

Ko plazmas elektrolītiskā oksidēšana dos nākotnē? «Ja to izmantotu autobūvē, varētu iegūt automašīnu, kas ne tikai nerūsē un nav saskrāpējama, bet naktī arī spīd. Tiesa, ar nosacījumu, ka dienas laikā tā atradusies nevis garāžā, bet saules gaismā.»

Vai tas, piemēram, nozīmē, ka automašīnu virsbūves kļūs mūžīgas, nenolietojamas? Aleksejs atbild — jā, tā tas ir. Taču diezin vai kāds būs ieinteresēts šādas tehnoloģijas izmantot tieši autobūvē, jo ražotāju mērķis taču ir pārdot pēc iespējas vairāk mašīnu. Nevis izgatavot dažus tūkstošus ilgmūžīgu modeļu. «Tāpēc jau teicu, ka šis process ir ļoti specifisks un specifisks tieši ar to, ka pārāk labs,» smaida pētnieks. 

Viņš piebilst — parasti tik labus pārklājumus vajag tikai retajam, tāpēc tos izmanto tieši atsevišķu detaļu ražošanai. Piemēram, ja nepieciešama superliela nodilumizturība. Kā piemēru viņš min kuģubūves detaļas, kas pakļautas ilgstošai sālsūdens, temperatūras maiņu un citu specifisku apstākļu iedarbībai. «Bet, ja komponentes gatavotas no alumīnija, pārklājums nav nepieciešams — alumīnijs sarūsē lēnāk, nekā sabojājas visas pārējās detaļas.» Tomēr atsevišķām, ļoti dārgām automobiļu markām ar šo metodi jau esot pārklātas dažas komponentes, kuras tehniski grūti aizvietojamas. «Tās vienreiz pārklāj un aizmirst, un neuzskata to kā komerciālu veidu, kā pārdot automašīnu, jo par vērtību tiek uzskatītas citas komponentes,» saka Aleksejs. 

Taču principā katra detaļa, kas pārklāta, izmantojot jauno tehnoloģiju, teorētiski varētu kalpot vairākus simtus, iespējams, pat tūkstoš gadus, un to sabojāt būtu ļoti grūti. «Tā kā pārklājums ir biezs — aptuveni 40 mikrometru (gandrīz kā krāsas slānis), poraina ir tikai tā virsma (nav poru, kas sniedzas dziļumā, līdz metālam), tas ir ciets un izgatavots no oksīda —, tas noved pie tā, ka materiāls tiešām kļūst gandrīz vai mūžīgs.»

Otrs ieguvums — mašīnas vai ceļazīmes, kas naktī spīd. Ne jau tā, ka kož acīs, bet ar tādu intensitāti kā, piemēram, bērnu luminiscējošās rokassprādzes. Gaisma un enerģija, ko var uzkrāt un pakāpeniski izdot, nav salīdzināma, piemēram, ar spuldzi vai lukturi. Lukturī ir atsevišķa uzlādēta baterija un spīdīgs elements, savukārt šajā gadījumā tā ir viena kristāliskā struktūra, kuras elektroni pārlec uz tiem neizdevīgāku vietu un tad pakāpeniski nokrīt uz izdevīgāko vietu, kur enerģijas daudzums ir mazāks. Automašīnu varēs pamanīt, bet tā noteikti netraucēs satiksmes drošībai,» uzsver Aleksejs. 

Var noteikt arī radiāciju

Pārklājumu modificējot vai uzlabojot tā struktūru, to var pielietot arī citām vajadzībām. Piemēram, radiācijas noteikšanai. «Ideja ir tāda — pārklājums uzkrās jonizējošo starojumu (piemēram, rentgena starojumu). Pēc mēneša vai gada, sildot šo pārklājumu, ir iespējams noteikt, cik daudz jonizējošā starojuma tas uzkrāj,» saka Aleksejs. Medicīnas iestādēs, tāpat arī zinātnes laboratorijās speciālistiem, kas strādā ar jonizējošām iekārtām, ir dozometri. Pateicoties tiem, iespējams noteikt, vai nav pārsniegta jonizējošā starojuma deva. 

«Ar mūsu pārklājumu var pārklāt veselu sienu, piemēram, atomstacijā, medicīnas iestādē un nepieciešamības gadījumā noteikt, vai tieši šajā centimetrā, milimetrā trāpījis pārlieks jonizējošais starojums. Tas var pasargāt dzīvības un konstatēt cilvēkus, kas tikuši apstaroti un kuriem vajadzīga palīdzība, pat ja viņi nenēsā personalizētus jonizējošā starojuma detektorus.»

Protams, tas nav vienīgais veids, kā izmantot plazmas elektrolītiskās oksidēšanas metodi. Paredzams, ka nākotnē tiks atklāti arvien jauni veidi. Piemēram, šobrīd zinātnieki izvērtē, kā pielietot šo metodi un pārklājumus kā gāzes sensorus, kā arī dažādās citās jomās, piemēram, kosmosa kuģu pārklāšanai un informācijas ieguvei par vidi kosmosā.

Kā tas notiek?

Plazmas elektrolītiskās oksidēšanas iekārta

Neapstrādāts metāla paraugs (a), ar plazmas elektrolītiskās oksidēšanas iekārtu apstrādāts paraugs normālā apgaismojumā (b) un apstrādātais paraugs vājā apgaismojumā (c)