"Materiale Inteligente" care au memoria formei

 

Autor: Alina Colan, studenta Univ. Politehnica Bucuresti

Termenul de aliaj cu memoria formei (SMA-shape memory alloy) este folosit pentru o categorie de materiale metalurgice care dupa deformare, daca sunt tratate termic au abilitatea de a reveni la o forma initiala si marimea initiala.

Istoria materialelor cu memoria formei a inceput in anul 1932, cand s-a constatat ca un aliaj de aur si cadmiu (Au-Cd) la temperatura camerei prezenta o elasticitate surprinzatoare - de aprox. 8 %, fiind denumita 'elasticitate de tip cauciuc'. Spre exemplu, un produs finit confectionat din astfel de materiale speciale poate fi deformat de la o forma initiala, cu o configuratie termic stabila, pana la o alta forma, cu o configuratie termic instabila. Acest produs se spune ca are memoria formei deoarece, la aplicarea unei incalziri, poate reveni de la configuratia instabila termic la configuratia initiala, stabila termic, adica se poate spune ca 'isi aminteste' forma initiala.

Producatorii de materiale inteligente au un avantaj de piata enorm
Fiind un domeniu relativ nou al tehnicii de varf, datele referitoare la obtinerea acestor materiale si aplicatiile lor sunt departe de a fi cunoscute suficient. Desi pe plan international se desfasoara numeroase cercetari in acest domeniu, rezultatele cercetarilor sunt publicate abia dupa aparitia pe piata a produselor care folosesc astfel de aliaje. Sau poate nici atunci, deoarece principalii producatorii (SUA, Japonia) au dezvoltat tehnologii speciale de producere si prelucrare a SMA-urilor care, nefiind accesibile pe scara larga, le confera un avantaj competitiv major.
Aliajele cu memorie au o gama larga de aplicatii industriale si comerciale cu valoare adaugata ridicata. In constructii sunt esentiale pentru structurile de preluarea socurilor seismice si pentru disiparea energiilor specifice. Sunt de asemenea materiale esentiale pentru dispozitivele de stingerea incendiilor din interiorul cladirilor (sprinklere), asigurandu-le functionarea stabila chiar in conditii de soc termic. Robotica si productia de dispozitive de robotizare industriala a preluat pe scara larga SMA-urile datorita stabilitatii lor, avand in vedere mediile in care functioneaza si deformarile mecanice constante la care trebuie sa faca fata aceste dispozitive de manipulare. In viata de zi cu zi, regasim materialele cu memoria formei in ramele de ochelari si chiar in antenele telefoanelor mobile.

Industria medicala interesata de materialele inteligente
La acest moment, exista si o "vedeta" incontestabila a SMA-urilor: aliajul NITINOL.

Denumirea acestui aliaj deriva din Ni-Ti (nichel-titan) si acronimul centrului de cercetari unde a fost realizat Naval Ordnance Laboratory (actualmente Naval Surface Warfare Center). Desi a fost dezvoltat inca din anii 60, din pacate tehnologiile de fabricatie si prelucrare, tinand cont de superelasticitatea acestui material, nu sunt inca accesibile, ceea ce face ca aliajul sa nu fie inca utilizat pe scara larga. Perspectivele sale sunt insa promitatoare. Industria dispozitivelor medicale este foarte interesata de NITINOL, avand in vedere ca utilizarea aliajului poate imbunatati considerabil calitatea ustensilelor chirurgicale, a implanturilor permanente (cleme pentru anevrisme intracraniene, filtre pentru vena cava, muschi artificiali contractili pentru inima artificiala, implanturi ortopedice). Spre exemplu, primul dispozitiv vascular din Ni-Ti a fost utilizat in anul 1977 pentru tratarea embolismului pulmonar, iar in domeniul medical cardiovascular majoritatea aplicatiilor sunt bazate pe acest aliaj fascinant.
Un alt exemplu de aplicatie medicala de succes este in reconstructia articulatiei artificiale a gleznei. NITINOLUL dovedeste o biocompatibilitatea excelenta si rezistenta mare la coroziune. Trebuie mentionat ca nichelul din NITINOL este legat chimic cu titanul intr-o legatura intermetalica puternica, ceea ce face sa existe un risc scazut al reactiilor nedorite cu tesuturile vii. In plus, aliajul Ni-Ti prezinta alte doua importante caracteristici mecanice care-l apropie de biomaterialele naturale, cum ar fi osul (compatibilitate fiziologica).
In primul rand, aliajul Ni-Ti poseda un inalt grad de revenire elastica de pana la 8%, care este apropiat de cel al osului (2%), in timp ce revenirea deformatiilor specifice ale otelului inoxidabil este de doar 0.5%.
In al doilea rand, aliajul Ni-Ti are un modul de elasticitate coborat de pana la 48 GPa, care este apropiat de acela al osului (sub 20GPa), in timp ce modulul de elasticitate al otelului inoxidabil poate atinge 193 GPa. Aceste proprietati recomanda aliajul Ni-Ti ca pe unul ideal, in special pentru chirurgia ortopedica si orthodontica. Toate aceste proprietati extraordinare ale NITINOLULUI fac cu siguranta din el metalul cel mai apropiat mecanic de materialele biologice si determina accelerarea cresterii osoase, o adeziune imbuntatita la tesuturile inconjuratoare, regenerarea celulara rapida, accelerarea procesului de vindecare a fracturilor osoase, reducerea timpului de vindecare.

Cercetarea si dezvoltarea de SMA - o investitie sigura
Materialele inteligente constituie o promisiune extrem de serioasa in realizarea de structuri inteligente de tije reglabile/acordabile cu facilitati de control a lungimii prin tehnici non-invasive. Tijele intramedulare sunt implanturi interne, dar care sunt inserate intr-o zona neutra din punct de vedere al cerintelor biocompatibilitatii - canalul intramedular. Tehnicile chirurgicale specifice inserarii acestor tije sunt extrem de minim invasive si s-a reusit schitarea unui astfel de dispozitiv - tija intramedulara realizata din materiale cu memorie a formei - cu potential in rezolvarea superioara a unor probleme de tip fractura pentru o larga gama de oase.

Domeniul: Materiale speciale, Tehnologii noi