TÜ doktorandid mõtlesid välja matemaatilise mudeli ja sellel põhineva arvutiprogrammi, mis eemaldab klaasi tugevuse mõõtmisel laserkiire paindumise mõju.
FOTO: Flavio Grynszpan / Flickr / Creative Commons

Noored teadlased teevad tugevad klaasid veelgi tugevamaks

Ettevõtlus

Nutitelefoni, nuhvli, sülearvuti või muu multimeediaseadme ekraan, mis ilmselt su vaateväljas on, on suure tõenäosusega kaetud maailmakuulsa ettevõtte Corning toodetud kaitseklaasiga.

Corningu keemiliselt karastatud alumiinosilikaatklaasid ehk nõndanimetatud Gorilla klaasid katavad muu hulgas Aceri, ASUS-e, Delli, HP, HTC, Lenovo, LG, Motorola, Nokia ja Samsungi ekraane.

Nende kaitseklaaside purunemiskindlust aitavad Corningul arvutada ka Tallinna tehnikaülikoolist välja kasvanud firma GlasStressi aparaadid. Mõõteseadmete veelgi suurema täpsuse ja töökindluse tagamiseks on Tartu ülikooli noored teadlased Siim Hödemann ja Andreas Valdmann välja mõelnud uudse teooria ja sellel põhineva tarkvara.

Kiire hinnang

GlasStressi hajunud valguse polariskoop SCALP ehk SCAttered Light Polariscope on maailmas ainulaadne seade, mis määrab karastatud klaasi tugevust väga täpselt ja kiiresti ilma klaasi kahjustamata. Selleks asetatakse aparaat üliõhukese õlikihiga kaetud klaasile, mille tugevust tahetakse teada. Hajunud valguse fotoelastsusmeetodil töötav SCALP annab klaasi tugevuse kohta vastuse nelja sekundiga.

Palju aeganõudvam, isegi kogu tööpäeva võttev teine võimalus on mõõta klaasi pingeid polarisatsioonimikroskoobiga. 

Kolmas võimalus on mõõta klaasi tugevust painde- või kriimustuskatsetega. Nii saadud tulemused on eelnimetatud meetoditest kordi vähem täpsed, ja kuna selline test pole sama klaasiga korratav, seab see tulemuste õigsuse kahtluse alla.

Hajunud valguse polariskoobis SCALP suunatakse läbi prisma klaasplaadi sisse laserikiir, mida jälgib kõrvalt kaamera. Nii on näha kiire hajunud valguse intensiivsuse jaotust, mille järgi arvutatakse infotöötlusalgoritme kasutades välja klaasi pinge ehk tugevusnäitaja. Sellist meetodit on GlasStress täiustanud alates 2003. aastast, mil nad tulid turule esimese klaasitööstustele ja -laboritele mõeldud mõõteseadmega.

Kuigi seade pakub juba praegu klaasi tugevuse kohta väga täpseid andmeid, leiavad arendajad ja teadlased üha uusi proovikive, mida lihvides tulemusi veelgi parandada.

Näiteks on teada, et kuna karastatud klaaside tugevus on saavutatud ioon-vahetusprotsessi või kuumutamise-jahutamise teel, on nende pinnal valguse murdumisnäitaja suurem kui materjali keskel.

Jõnksutav valgus

«Valgus teeb jõnksu,» piltlikustab viimasel aastal SCALP-i täiendamisele pühendunud Siim Hödemann, Tartu ülikooli füüsik ja materjaliteadlane. «Kui valgus teeb jõnksu, on meie nähtav hajunud valguse intensiivsus häiritud. Kui seda saaks arvesse võtta, mõõdaks seade karastatud klaasi tugevust veelgi täpsemalt.»

Just selle kitsaskoha kõrvaldamiseks töötas Hödemann koos Tartu ülikooli teise doktorandi Andreas Valdmanniga välja matemaatilise mudeli ja sellel põhineva arvutiprogrammi, mis eemaldab laserikiire paindumise mõju.

Uudse programmi ühendamine SCALP-i tarkavaraga võib veel üksjagu aega võtta, ent GlasStressi juhataja Johan Antoni sõnul on ettevõte Tartu ülikooli koostööga väga rahul. Ta kiitis Hödemanni, kes iseseisvalt lahendas nende jaoks olulise probleemi: «Saime töötava tarkvara ja valmis isegi teadusartikkel.» 

Hödemanni sõnul pakub valguse paindumise teoreetiline mudel hajunud valguse fotoelastsusmeetodis arvatavasti ka üldisemat huvi teiste tomograafiliste meetodite rakendustes. Tema sõnul on välja arendatud teooriat ja paari pingeprofiili ümberarvutust kirjeldav artikkel väheseid, mis hajunud valguse meetodis käsitleb valguse paindumise mõju.

«Juhuslikult tekkis kõrvalsaadusena uudne praktilise väärtusega metoodika, mis võimaldab määrata murdumisnäitaja profiili ioon-vahetusprotsessiga töödeldud klaasides,» selgitas teadlane.

Täpne pingeprofiil

«Teine kõrvalsaadus olid kuulikindlates klaasides mõõdetud pingeprofiilid, mida ei ole kunagi sellise täpsusega mõõdetud. Nähtavale tulid jõnksud ja uued iseärasused pingeprofiilides, mis varem polnud mõõdetavad. Pingeprofiili kuju disainimine keemiliselt karastatud klaaside suurema tugevuse saavutamisel on väga tähtsal kohal. Näiteks Gorilla klaasil pole kõige suurem pinge mitte pinnal, vaid umbes 10 mikromeetri sügavusel pinna all.» 

Hödemann ütles SCALP-i mõõtetulemuste korrigeerimist kirjeldades, et välja töötatud teooria lubab ümber arvutada juba mõõdetud jääkpingete profiili.

«Me mõõdame seadmega klaasi tugevuse indikaatoriks oleva pingeprofiili ja siis hakkame sealt välja sõeluma korrektsemat vastust, mis võtab arvesse ka valguse paindumise. Igal uuel arvutuskäigul läheb tulemus täpsemaks. Need arvutused teeb meie kirjutatud arvutiprogramm,» rääkis igapäevaselt Tartu ülikoolis elektri ja optikaga seotud aineid õpetav Hödemann.

Oma pedagoogilise tegevuse eest sai noorteadlane mullu ka loodus- ja tehnoloogiateaduskonna parima õppejõu valimisel nominatsiooni ning teda tunnustati TÜ hea õpetamise kaheaastase uurimistoetusega (scholarship of teaching and learning).

Peale selle, et SCALP mõõdab aina täpsemini telefoniekraanide ning kuulikindlate klaaside saja- ja kahesajamikromeetriste pinnakihtide tugevust, on sellest teaduses kasu ka kosmoses. Nimelt kasutatakse seal sarnaseid klaase päikesepaneelide ja teleskoopide kaitsmiseks.

«Selle üks praktiline rakendus on veel meditsiinifüüsikas. Näiteks sel suvel valmistati USAs haavaõmbluste mudelid, mida mõõdeti samuti SCALP-iga. Haava mudelid olid kaetud fotoelastse plastikihiga, millesse lõikasid haavad ja tegid õmblused USA tippkirurgid,» kirjeldas Hödemann.

Fotoelastsus Eestis

Eestis on fotoelastsuse uuringuid teinud viimased pool sajandit akadeemik Hillar Aben, kes algusaastatel keskendus rohkem teoreetilistele probleemidele. Johan Anton ja Andrei Errapart andsid 1990. aastatel hoo sisse automaatpolariskoopide arendusele.

Karastatud klaaside uuringud Tartus algatas professor Jaak Kikas. Ajakirja Journal of Applied Physics detsembrikuu viimases numbris ilmus Hödemanni ja Kikase kaasautorlusega artikkel, mis kirjeldab uudset lähenemist konfokaalmikroskoopias klaasi pingete uurimiseks. Autorid pakuvad välja võimaluse muuta klaasi läbiv laserikiir ülipeenikeseks – diameetriga umbes neli mikromeetrit.

«Laserikiirt ennast paraku kuidagi nii kitsaks pole võimalik saada – läätsega fokuseerides võib saavutada umbes 50–60 mikromeetrit, ja sedagi ainult fookuses – kuid konfokaalne detekteerimine lubab teavet koguda vaid väga piiratud ruumalast suurusega umbes paarkümmend kuupmikromeetrit,» kõneles Hödemann. 

Sel moel tekib võimalus tekitada nii-öelda «virtuaalselt peenike» laserikiir, mille abil saab klaaside pingeid uurida tomograafiliselt. Hödemanni sõnul on konfokaalne hajunud valguse meetod tulevikutehnoloogia, mille tõeline väärtus selgub alles viie kuni kümne aasta pärast. 

Konfokaalse mikroskoopia leiutas 1957. aastal Marvin Minsky, kes hiljem kogus kuulsust tehisintellekti uuringutega. Idee seisneb väikese ümmarguse ava abil detekteeritava valguse kogumises vaid väga väikesest ruumipiirkonnast.

Artikkel ilmus ka TÜ ja ERR-i ühises teadusportaalis ERR Novaator.

Katre Tatrik

ERR Novaatori toimetaja

Jaga artiklit