Materiale cu memorie

Bineînţeles că oricât de avansată ar fi tehnologia actuală, nu ne putem gândi până acolo încât materialele metalice sau nemetalice ar putea fi atât de inteligente încât, în prezent, să fie în stare să reţină în memorie numere de telefon, adrese, numere de autoturisme şi altele asemenea. Însă fac altceva, îşi memorează forma, pe care „şi-o amintesc” atunci când sunt supuse la diverse solicitări termice, mecanice, electrice, magnetice, chimice sau prin radiaţii.

Materialele cu memoria formei pot fi aliaje metalice, polimeri, materiale ceramice, materiale compozite sau materiale hibride. Cele mai cunoscute, şi primele care au fost descoperite, sunt materialele metalice cunoscute sub denumirea de Aliaje cu Memoria Formei (AMF). Astfel, în 1932, Gustav Arne Ölander a descoperit efectul de memorie a formei la un aliaj de aur şi cadmiu. Ölander (1902-1984) a fost profesor de chimie fizică la Universitatea din Stockholm şi profesor de chimie teoretică şi electrochimie la Institutul Regal de Tehnologie, fiind, între 1965 şi 1974 membru al Comitetului Nobel pentru chimie. Apoi, L.C. Chang şi T.A. Read de la Columbia University au pus în evidenţă acest efect mai întâi la un aliaj aur-cadmiu, în 1951, şi apoi la un aliaj indiu-taliu în 1953. De-a lungul vremii au fost realizate diverse aliaje cu memoria formei, pe bază de cupru-zinc, titan-nichel, fier-mangan-siliciu şi multe alte combinaţii de elemente chimice.

În cazul aliajelor cu memoria formei care răspund la stimuli termici, lucrurile stau în felul următor: se obţine prin diverse procedee metalurgice un material care are o anumită formă la temperatura camerei, după care acesta este deformat, fiind apoi supus unei anumite temperaturi, fapt care determină revenirea materialului la forma sa iniţială. Cel mai cunoscut material metalic cu memoria formei poartă denumirea de NITINOL, de la Nickel Titanium – Naval Ordnance Laboratory. Astfel, în 1959, William J. Buehler şi Frederick E. Wang au obţinut acest aliaj, dorind să producă un vârf de rachetă rezistent la diverse solicitări mecanice. În 1961, la o întâlnire în cadrul Naval Ordnance Laboratory, Buehler a prezentat o folie din acest material, pliată ca un acordeon. Unul dintre participanţi a apropiat flacăra brichetei de folia împăturită, care s-a îndreptat sub acţiunea căldurii. Iată că şi fumatul este bun la ceva! Nu era prima oară când un fenomen fizic era pus în evidenţă din întâmplare.

Cum se face că materialele metalice pot avea această însuşire de recuperare a formei? Conform literaturii de specialitate, …efectul de memoria formei apare în aliajele cu transformare martensitică termoelastică, cu reţele coerente ale fazelor austenitice şi martensitice, cu un histerezis al transformării mic şi cu variaţii mici de volum în timpul transformărilor. Acum cred că este foarte clar pentru toată lumea!

De fapt, totul se rezumă la transformarea martensitei în austenită şi invers, acestea fiind nişte soluţii solide de fier şi carbon. După cum aflăm din lucrările domnului profesor Leandru Bujoreanu de la politehnica ieşeană, …efectul simplu de memoria formei (EMF) reprezintă redobândirea unică şi spontană a „formei calde” în urma încălzirii materialului aflat în „forma rece”. Forma caldă este caracteristică domeniului austenitic, iar forma rece celui martensitic (MNMF_Note-de-curs_2018.pdf – tuiasi.ro). Oricum, este vorba de nişte procese complicate, care necesită cunoştinţe foarte aprofundate de ştiinţa materialelor.

Dar, la ce sunt utilizate materialele cu memoria formei? Aplicaţiile sunt foarte diverse, de la domeniul aerospaţial până la industria modei. De exemplu, ochelarii cu memorie revin la forma iniţială dacă sunt loviţi sau deformaţi. De asemenea, unele tipuri de stenturi revin la forma iniţială, după ce au fost amplasate în diverse locuri din corp. În ambele cazuri este vorba de materiale care reacţionează la solicitări mecanice, având un comportament pseudoelastic sau superelastic. În tehnologia spaţială se utilizează antene telescopice din nitinol, care sunt pliate, după care, la plasarea satelitului pe orbită se extind sub acţiunea căldurii solare. De asemenea, realizarea de structuri mecanice masive în spaţiul cosmic este facilitată prin folosirea manşoanelor din nitinol care îşi modifică forma sub acţiunea temperaturii permiţând asamblarea componentelor cu secţiuni de diverse forme. Alte aplicaţii se referă la manşoane pentru asamblarea conductelor din structura avioanelor militare sau a submarinelor nucleare. De asemenea, astfel de manşoane se folosesc pentru asamblarea conductelor submarine pentru transportul petrolului.

S-au realizat roboţi ale căror braţe execută diverse mişcări sub acţiunea unor spirale sau sârme din nitinol. În medicină s-au folosit materiale metalice pentru îndreptarea coloanei vertebrale. Astfel, s-au utilizat tije din nitinol, care au fost amplasate pe coloana deformată, după care, la încălzirea la o temperatură uşor peste cea a corpului uman, acestea au determinat îndreptarea coloanei vertebrale. De asemenea, sunt diverse aplicaţii în ortopedie, pentru alinierea şi fixarea oaselor, precum şi în ordotonţie, la alinierea dinţilor cu ajutorul unor sârme din nitinol şi nu din oţeluri inoxidabile, nitinolul acoperind un domeniu mai mare de deformaţii sub sarcină constantă.

Există colecţii de modă care folosesc efectul de memorie a formei. Astfel, în diverse obiecte de îmbrăcăminte se amplasează fire sau sârme din materiale cu memoria formei, astfel încât, atunci când manechinul trece prin dreptul unor ventilatoare care degajă un jet de aer cald, îmbrăcămintea se desface ca prin miracol, de parcă ar fi vie. Dar nu se desface complet!

Prof. univ. dr. ing. Neculai Eugen Seghedin, cadru didactic şi prorector responsabil cu activitatea didactică la Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi