Veden kulkeutuminen on tärkeä ilmiö monissa arkielämästä tutuissa huokoisissa materiaaleissa, kuten vaikkapa maaperässä, rakennusmateriaaleissa ja tekstiileissä. Monet materiaalit ovat kuitenkin rakenteeltaan monimutkaisia ja saattavat lisäksi muuttaa muotoaan veden vaikutuksesta. Veden kulkeutuminen voi siten olla hyvin monimutkainen ilmiö, ja siksi sen ymmärtämistä ja mallintamista varten tarvitaan yksityiskohtaista kokeellista tietoa materiaalin vesipitoisuusjakaumasta eri ajanhetkinä. Tämän väitöstyön tarkoituksena oli kehittää näytettä häiritsemättömään kuvantamiseen perustuva menetelmä tällaisen tiedon tuottamiseksi turpoaville materiaaleille. 

Röntgensäteily paljastaa sisärakenteen 

Röntgenkuvaus ja -tomografia ovat jo pitkään olleet tärkeitä kuvantamismenetelmiä niin lääketieteessä, teollisuudessa kuin materiaalitutkimuksessa. Röntgenkuva paljastaa näytteen sisärakenteen kaksiulotteisena projektiona, kun taas röntgentomografiakuvassa sisärakenne nähdään kolmiulotteisena. Näiden kuvien muuntaminen näytteen todelliseksi tiheysjakaumaksi on kuitenkin haastavaa, sillä kuvien harmaasävyarvojen ja tiheyden välinen riippuvuus ei ole yksikäsitteinen ja vaikeutena ovat useat erilaiset kuvavirheet. Tässä väitöstyössä kehitettiin hyödyllisiä korjausmenetelmiä, joiden avulla kuviin perustuva kvantitatiivinen tiheysanalyysi, jota vesipitoisuuden mittaamisessakin edellytetään, on tietyissä tilanteissa mahdollista. 

Muodonmuutos mutkistaa menetelmää 

Menetelmässä veden kulkeutumista seurataan kuvaamalla näytettä useina eri ajanhetkinä, jolloin kuvien eroista saadaan suoraan tietoa veden jakautumisesta näytteessä. Muotoa muuttavien materiaalien tapauksessa kuvien vertailu ei kuitenkaan toimi sellaisenaan. Väitöstyössä tämä ongelma ratkaistiin mittaamalla ensiksi näytteen muodonmuutos kuvakorrelaatiotekniikoiden avulla, ja sitten huomioimalla tämä muodonmuutos tiheysanalyysissä. 

– Muodonmuutoksen mittaaminen on menetelmän kriittisimpiä vaiheita, sen pitää onnistua riittävän tarkasti, Tero Harjupatana kertoo. 

Sovelluskohteita bentoniitista biokomposiittiin 

Väitöstyössä kehitetyllä menetelmällä on jo ollut hyvin konkreettisia sovelluskohteita. Tärkeimpänä tutkittavana materiaalina on ollut ydinjätteen loppusijoituksessa käytettävä bentoniittisavi. Bentoniitti toimii tiivistysmateriaalina metallisen ydinjätekanisterin ja peruskallion välissä. Tämä materiaali on kuitenkin osoittautunut haasteelliseksi mallintaa. Väitöstyössä kehitetyllä menetelmällä on tuotettu arvokasta tietoa pohjaveden kulkeutumisesta bentoniitissa. 

– Aihepiiri kiinnostaa maailmanlaajuisesti, mutta kiinnostusta on erityisesti Suomea kohtaan, sillä korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoituksen on tarkoitus alkaa täällä lähivuosina ensimmäisenä maailmassa, Harjupatana toteaa. 

Menetelmää sovellettiin myös onnistuneesti biokomposiittimateriaaliin. Biokomposiiteissa käytetään tyypillisesti biopohjaisia muoveja ja vahvikkeena luonnonkuituja, jolloin ympäristön kuormitusta voidaan pienentää. Luonnonkuidut ovat kuitenkin herkkiä kosteudelle, joten veden kulkeutumisen ymmärtäminen voi auttaa kehittämään lujempia ja kestävämpiä biokomposiittimateriaaleja. 

Menetelmäkehitys ja mittaukset suoritettiin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen röntgentomografialaboratoriossa, jonka mikro- ja nanotomografialaitteilla on jo pitkään tehty merkittävää heterogeenisiin materiaaleihin liittyvää tutkimusta. 

FM Tero Harjupatanan väitöskirjan “Monitoring water transport and deformation in swelling materials using X-ray imaging and tomography” tarkastustilaisuus järjestetään 8.9.2023 klo 12 Ylistönrinteellä salissa FYS1. Vastaväittäjänä toimii professori Peter Moonen (Université de Pau et des Pays de l'Adour, Ranska) ja kustoksena yliopistotutkija Arttu Miettinen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti. 

Julkaisutiedot 

Väitöskirja “Monitoring water transport and deformation in swelling materials using X-ray imaging and tomography” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/88659  

Lisätietoja: 

Tero Harjupatana 

tero.t.harjupatana@jyu.fi