Hackmaniitti voi ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta vaihtaa väriä toistuvasti ilman että mineraalin rakenne kuluu tai ominaisuus heikkenee.
Turun yliopiston tutkimuksen tulokset osoittavat, että helposti valmistettava hackmaniitti on myös kestävyytensä ansiosta kannattava materiaali.
Kemian laitoksen professorin Mika Lastusaaren johtama turkulaisryhmä on paneutunut ihmemateriaaliksi kutsutun hackmaniitin ominaisuuksiin jo pitkään ja hionut niitä entistä paremmiksi.
Hackmaniitin värinvaihto-ominaisuuksia hyödynnetään jo useissa sovelluksissa, kuten uv-säteily- ja röntgenmittauslaitteissa.
PNAS-lehden julkaiseman tuoreen tutkimuksen kohteena olivat hackmaniitin lisäksi luonnonmineraalit tugtupiitti ja skapoliitti, joista saatiin samanlaisia tuloksia.
Tugtupiitti on harvinainen mineraali, joka värjäytyy uv-säteilyn vaikutuksesta pinkiksi. Tugtupiitin palautuminen valkoiseksi kestää useita tunteja, koska siihen vaaditaan laajoja atomien liikkeitä. Kuva: Sami Vuori
Jatkuvat värinvaihdokset mahdollistaa mineraalin rakenne
Väriä vaihtavat mineraalit lukeutuvat epäorgaanisiin luonnonmateriaaleihin.
Myös orgaaniset hiilivedyt vaihtavat säteilyn vaikutuksesta väriä. Hiilivedyissä vaihtoa ei kuitenkaan voida tehdä kovin monta kertaa, koska väriä vaihtavat molekyylit lopulta hajoavat. Syynä on hiilivetyjen rakenteiden valtava muutos.
Turkulaistutkimus paljasti, että myös mineraalien rakenteessa tapahtuu muuttumista. Värinvaihdoksen yhteydessä natriumatomit siirtyvät pitkiä matkoja ja palautuvat takaisin.
”Tätä voidaan sanoa rakenteelliseksi hengittämiseksi. Nämä mineraalit eivät kuitenkaan hajoa, vaikka tuo ”hengittäminen” toistuisi hyvin monta kertaa”, Lastusaari kertoo.
Kestävyys on värinvaihtomineraalien vahvan kolmiulotteisen häkkirakenteen ansiota.
Samanlainen huokoinen rakenne on esimerkiksi zeoliittimineraaleissa. Pyykinpesuaineissa rakenne mahdollistaa sen, että zeoliitti voi sitoa pesuvedestä magnesiumia ja kalsiumia.
Väriä vaihtavissa mineraaleissa kaikki muutokset tapahtuvat häkin huokosissa, joissa on natrium- ja rikkiatomeja. Varsinainen häkkirakenne pysyy ennallaan.
”Mineraalit voivat näin vaihtaa väriään ja palautua ennalleen kulumatta käytännössä loputtomasti”, kuvailee väitöskirjatutkija Sami Vuori.
Valkoinen skapoliitti muuttuu uv-säteilytyksessä siniseksi. Sekä värjäytyminen että palautuminen valkoiseksi vie vain sekunteja, koska atomit liikkuvat lyhyitä matkoja. Kuva: Sami Vuori
Tulokset tärkeitä tulevaisuuden materiaalikehitykselle
Jo aiemmin on tiedetty, että skapoliitti vaihtaa väriään huomattavasti nopeammin kuin hackmaniitti. Tugtupiitti on kolmikon hitain.
Tuoreessa tutkimuksessa selvisi, että värinvaihdoksen nopeuteen vaikuttaa se, kuinka 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”, sanoo väitöskirjatutkija Hannah Byron.
Tutkimukseen osallistuivat myös Lyonin yliopisto ja Antwerpenin mineraloginen yhdistys.
(Pääkuva Mika Lastusaari) Uv-säteily värjää hackmaniitin violetiksi. Normaalissa valaistuksessa väri poistuu muutamassa minuutissa.
Aiheesta aiemmin:
Turkulaistutkijoiden hackmaniitista säteilymittareita ISS-avaruusasemalle
Uudenlaisia röntgenkuvia väriä vaihtavalla luonnonkivellä
Pimeässä loistavan luonnonkiven salaisuus selvisi
Tilaa Kemia-lehti loppuvuodeksi 2022 ja auta Ukrainaa!
Lahjoitamme puolet tilausmaksusta ukrainalaisten auttamiseen Pelastakaa Lapset ry:n kautta.
