¿Por qué los materiales también tienen recuerdos?
¿Por qué los materiales también tienen memoria?
¿Por qué los materiales también tienen memoria? Existe un tipo de material llamado "aleación de memoria". Es muy mágico. Es como un ser vivo que puede recordar su propia forma y evolucionar hacia diferentes propiedades según los diferentes entornos. ¡Esto tiene una historia científica! ¡Veamos por qué este material también tiene memoria! Por qué los materiales también tienen memoria 1
La aleación con memoria es un material de aleación que apareció en la década de 1960. Tiene la característica de poder recordar su propia forma, por eso la gente la llama "aleación con memoria".
Hace más de 50 años, había un metalúrgico llamado Biller en los Estados Unidos. Una vez, cuando estaba experimentando con una aleación de níquel y titanio, descubrió que cuando la aleación se calentaba y golpeaba, formaba una. Sonido de timbre nítido. Luego hizo un sonido sordo. ¿Por qué el sonido suena diferente cuando la temperatura es diferente? Después de investigar, descubrió que el secreto está en la estructura interna del material. Existe un tipo de material de aleación que presenta ciertos cambios especiales en su estructura interna dentro de un rango de temperatura específico. Su estructura cristalina se vuelve inestable cuando se enfría por debajo de cierta temperatura. En este momento, tiene una gran plasticidad y se deforma fácilmente bajo fuerza externa. Una vez que se elimina la fuerza externa y la temperatura aumenta hasta cierto punto, la estructura inestable se convertirá en una estructura estable y volverá a su forma original. Por lo tanto, los científicos llaman a este efecto de poder restaurar la propia forma "efecto de memoria de forma", y los materiales de aleación con tales características se denominan "aleaciones con memoria".
¿Qué es la aleación con memoria?
La aleación con memoria de forma es un material compuesto por dos o más elementos metálicos que tiene efecto de memoria de forma mediante termoelasticidad, transformación martensita y su transformación inversa. La aleación con memoria de forma es el material con el mejor rendimiento de memoria de forma entre los materiales con memoria de forma actuales. Hasta el momento se han encontrado más de 50 aleaciones con efecto de memoria de forma.
Hay muchos ejemplos exitosos de aplicaciones en el campo aeroespacial. Se podrían fabricar enormes antenas para satélites a partir de aleaciones de memoria. Antes de lanzar un satélite artificial, la antena parabólica se pliega e instala en el satélite. Después de despegar el cohete y enviar el satélite artificial a la órbita predeterminada, solo es necesario calentarlo. La antena del satélite plegada se desplegará y restaurará naturalmente. su forma parabólica debido a su función de "memoria".
Clasificación del efecto de memoria de forma
1. Efecto de memoria unidireccional
La aleación con memoria de forma se deforma a una temperatura más baja y puede restaurar su forma antes de la deformación después del calentamiento. , este fenómeno de memoria de forma que sólo existe durante el proceso de calentamiento se denomina efecto de memoria unidireccional.
2. Efecto memoria bidireccional
Algunas aleaciones restauran la forma de fase de alta temperatura cuando se calientan y la forma de fase de baja temperatura cuando se enfrían, lo que se denomina memoria bidireccional. efecto.
3. Efecto memoria de rango completo
Cuando se calienta, la forma de fase de alta temperatura se restaura y cuando se enfría, cambia a una forma de fase de baja temperatura con la misma forma. pero con orientación opuesta, lo que se denomina efecto de memoria de rango completo.
¿Cómo funciona la memoria de forma?
La forma más sencilla de entender la memoria de forma es recordar que los cambios que ocurren dentro de un material (es decir, en la escala nanométrica de átomos y moléculas) pueden ser completamente diferentes de lo que parece estar sucediendo en el exterior. afuera.
Estira la banda elástica y las cadenas macromoleculares de goma entrecruzadas y enredadas en su interior se abren y separan. Cuando se elimina la fuerza de tracción, las cadenas moleculares se vuelven a unir. Así es como funciona la elasticidad. La memoria de forma es diferente. Doblar un objeto de aleación con memoria de forma deforma su estructura cristalina interna. Sin tratamiento, conservará su forma curva permanente. Sin embargo, al calentarlo, la estructura interna del cristal cambia a una forma completamente diferente, empujando el objeto de nuevo a su forma original. La superelasticidad es similar, pero no se necesita temperatura para que un objeto vuelva a su forma original después de deformarlo. Si doblas un par de monturas de gafas con memoria de forma, la tensión aplicada hace que la aleación de titanio cambie a una estructura cristalina completamente diferente cuando la sueltas, la estructura cristalina regresa y la montura vuelve a su forma original;
Lo que ocurre en la memoria de forma y la superelasticidad es la conversión de la estructura interna de un material sólido entre dos formas cristalinas diferentes, es decir, sus moléculas se reordenan de forma completamente reversible. Esto se llama transición de fase de estado sólido y parece más complicado de lo que es. De hecho, todos estamos acostumbrados a los cambios de fase: pones un cubito de hielo en una bebida y se derrite, y lo que observas es un cambio de fase.
A medida que el hielo se derrite, sus moléculas cambian de una estructura muy compacta a una estructura más suelta y fluida, por lo que el agua cambia de una fase sólida (hielo) a una fase líquida (agua líquida normal). Algo muy similar que sucede en una transición de fase de estado sólido es que el material es sólido antes y después de la transición porque todas las moléculas permanecen muy cerca unas de otras durante todo el proceso.
Las aleaciones con memoria de forma se transforman entre dos estados cristalinos, austenita y martensita. A bajas temperaturas, aparecen como martensita relativamente blanda, plástica y fácilmente formable; a temperaturas (relativamente) altas, se transforman en austenita, que es más dura y difícil de deformar. Supongamos que tiene un cable con memoria de forma, puede cambiarlo a una nueva forma con relativa facilidad. Su interior es martensita, por lo que se deforma con facilidad. No importa cómo se doble el cable, conserva su nueva forma, como cualquier cable común, parece sufrir una deformación plástica ordinaria. ¡Sea testigo de un momento mágico! Cuando el alambre se calienta ligeramente (por encima de la temperatura de transformación de fase), su interior cambia a austenita. Bajo la acción de la energía térmica, los átomos internos se reorganizan y el alambre vuelve a su forma original. Después de enfriarse, el alambre vuelve a convertirse en martensita y aún recupera su forma original. Si la temperatura del material está por encima de la temperatura de transición de fase durante todo el proceso, puedes deformarlo, pero cuando liberas la tensión que aplicaste, inmediatamente vuelve a su forma original.
Lo sorprendente y quizás confuso de la memoria de forma es que la transformación entre austenita y martensita no es "simétrica". Puede tomar un cable con memoria de forma "programado" (con una forma distinta y fácil de recordar) y doblarlo de diferentes maneras. Pero cuando calientas el cable que acabas de doblar al azar, siempre vuelve a tener una forma única y distinta. Podemos entender esto diciendo que un material en estado martensítico puede felizmente cambiar a cualquier forma cristalina. Pero cuando está en austenita, sólo tiene una forma cristalina. Este es también el estado más estable, el estado de menor energía.
La superelasticidad y la memoria de forma se comportan de manera similar cuando se aplica tensión (presión) en lugar de calor. Normalmente, es la forma dúctil de austenita la que constituye la aleación. Suponiendo que se aplica tensión a los vidrios con memoria de forma (es decir, doblándolos), la austenita se deforma fácilmente después de convertirse en martensita. Después de soltar la montura, la martensita vuelve a convertirse en austenita, por lo que las gafas vuelven a su forma original.
¿Cuáles son los usos de las aleaciones con memoria de forma?
Arne Olander descubrió el efecto de memoria de forma en aleaciones de oro y cadmio en la década de 1930, pero después de que el Laboratorio de Artillería Naval de EE. UU. desarrollara aleaciones de titanio y níquel en la década de 1960, las aleaciones con memoria de forma (también llamadas SMA, músculos metálicos, metales con memoria, metales inteligentes) están empezando a ser realmente promocionados y utilizados. Décadas más tarde, los metales con memoria de forma son una opción común para todos los dispositivos médicos y relacionados con la salud, incluidos todo, desde implantes dentales hasta herramientas quirúrgicas, y desde protectores de sujetadores hasta monturas de gafas (vendidos bajo la marca Flexon). A diferencia de los plásticos, metales o aleaciones tradicionales, las aleaciones con memoria de forma son fuertes y flexibles, fácilmente esterilizables y resistentes a la corrosión. Las aleaciones con memoria de forma también se utilizan ampliamente en componentes aeroespaciales como cohetes y sondas espaciales debido a sus propiedades de ser livianas, resistentes y capaces de operar a altas temperaturas.
La aplicación de aleaciones con memoria de forma en el campo de la robótica está creciendo rápidamente. A veces la gente necesita diseñar robots con propósitos especiales para ir a lugares a los que los robots tradicionales no pueden llegar: tal vez necesiten hacer agujeros en un cohete muy sólido, o espiar silenciosamente a los delincuentes en la puerta. Con esto en mente, los ingenieros comenzaron a diseñar robots autodesplegables hechos de aleaciones con memoria de forma. Comienzan plegándose y, cuando es necesario activarlos, se hace pasar una corriente eléctrica a través de los componentes de memoria de forma del robot, calentándolos de nuevo a la forma del robot estable e inmutable "preprogramada".
Polímeros con memoria de forma
Las aleaciones con memoria de forma suenan sofisticadas, pero también tienen desventajas: las aleaciones con memoria de forma tienen más probabilidades de alcanzar resistencia a la fatiga (se rompen después de deformaciones repetidas) que las ordinarias. acero inoxidable y su fabricación es más cara que las aleaciones tradicionales de acero o aluminio. En la década de 1990, los científicos de materiales comenzaron a desarrollar polímeros con memoria de forma (SMP) que son similares a las aleaciones con memoria de forma y tienen un efecto de memoria de forma. Así como los plásticos normales cambiaron el mundo, es probable que los polímeros con memoria de forma amplíen sus aplicaciones en los próximos años porque los SMP son más ligeros, más baratos y más flexibles que las aleaciones a base de metal. Los más estrechamente relacionados con los SMP son los SCP (polímeros que cambian de forma), que cambian gradualmente de forma cuando se calientan (o se estimulan de otro modo con energía, sin embargo, cuando se enfrían, recuperan su forma);
Si bien los materiales autorreparables (un material que se cura a sí mismo después de un daño) también pueden funcionar de diferentes maneras, son muy similares a los SMP. Por ejemplo, imagine un cuerpo de plástico que absorbe la energía cinética de una bala entrante, la convierte en energía interna y utiliza la energía interna para activar el efecto de memoria de forma para que el polímero vuelva a su forma original, curándose y sellándose rápidamente. Por qué los materiales también tienen memoria 2
1. ¿Qué es la memoria de forma?
El metal con memoria de forma se comporta de manera diferente a los metales comunes. Es una aleación fuerte y ligera con propiedades especiales, generalmente una mezcla de dos o más metales. Se pueden "programar" para recordar su forma original y, después de ser comprimidos y deformados por fuerzas externas, se pueden restaurar a su forma original mediante calentamiento. Esta capacidad se denomina "efecto de memoria de forma", o SME para abreviar.
Las investigaciones muestran que muchos materiales de aleación tienen SME, pero solo aquellos con mayor fuerza de recuperación de forma tienen valor de uso. La mayor ventaja de este metal es que tiene buena elasticidad después de convertirse en productos terminados y es difícil de deformar a temperatura ambiente. Las aleaciones con memoria de forma pueden restaurar su forma al 100% y pueden deformarse repetidamente 5 millones de veces sin fracturarse por fatiga, por lo que tienen muchos usos mágicos.
2. Usos de las aleaciones con memoria de forma
El efecto de memoria de forma se descubrió en las aleaciones de oro-cadmio en la década de 1930. No fue hasta Estados Unidos que se desarrollaron las aleaciones de titanio-níquel. En la década de 1960 comenzó el efecto de memoria de forma. El primero son los "gafas de aleación con memoria" más conocidos. De hecho, es una aleación compuesta principalmente de titanio y níquel, por lo que también se la llama aleación de níquel-titanio. Comenzó a aplicarse lentamente a las gafas en la década de 1990.
Antes y ampliamente utilizados eran los equipos aeroespaciales, como las antenas aeroespaciales. Los científicos usaban aleaciones con memoria de forma para fabricar antenas y luego las doblaban en una pequeña bola. Después de ser llevada a la luna, la antena satelital plegada se desplegará naturalmente después de ser calentada por el sol debido a su función de "memoria". ¿No suena increíble? Por eso, también se le conoce como "material funcional mágico". Ahora se utiliza ampliamente en todos los campos de equipos médicos y relacionados con la salud, desde alambres ortopédicos dentales hasta herramientas quirúrgicas, desde alambres de sujetadores hasta stents cardiovasculares y cerebrovasculares.
Las aleaciones con memoria se llevan desarrollando desde hace sólo medio siglo, y existen decenas. Como nuevo material que continúa desarrollándose con la ciencia y la tecnología, la aleación con memoria es uno de los nuevos materiales inteligentes con gran potencial en el siglo XXI. Creo que con la innovación de la tecnología, las aleaciones de memoria entrarán gradualmente en la comercialización diaria y brillarán en nuestras vidas.