Представьте материал, который можно согнуть узлом, скрутить в спираль или смять, как старую газету, но стоит опустить его в горячую воду, как он за секунду сам вернет свою первоначальную форму с точностью до доли миллиметра. Это уже не фантастика и не компьютерная графика, а полностью реальный физический феномен, известный как эффект памяти формы (ЭПФ). Долгое время металлургия подчинялась строгому правилу: деформация металла необратима, если превышен предел его упругости. Однако открытие сплава никеля и титана (Нитинола) перевернуло научный мир, доказав, что металлы могут обладать «памятью». Кажется, что внутри таких материалов скрыта невидимая пружина или генетический код, заставляющий их оживать при нагревании. На самом же деле за этой почти магической способностью скрывается строгое научное объяснение — обратимое фазовое превращение между двумя кристаллическими структурами: низкотемпературным мартенситом и высокотемпературным аустенитом.

Традиционный опыт

Эта способность «помнить прошлое» превратила обычные куски металла в «умные» материалы, которые сегодня незаметно управляют технологиями вокруг нас.

Примеры применения в реальной жизни

Материалы с памятью формы активно используются в самых наукоемких и повседневных областях:

• Медицина (Стенты и ортодонтия): В сосудистой хирургии нитиноловые стенты сжимают до минимальных размеров для ввода через тонкий катетер. Попадая в артерию, они нагреваются до температуры тела человека (36,6 °C) и раскрываются, восстанавливая исходный каркас и удерживая сосуд открытым [1.1]. В стоматологии из нитинола делают брекет-системы, которые непрерывно и мягко выравнивают зубы, стремясь вернуть свою изначальную правильную дугу под действием тепла во рту.
• Аэрокосмическая отрасль: ЭПФ применяется для развертывания космических антенн и солнечных батарей без использования тяжелых механических приводов — конструкция раскрывается сама при нагреве солнцем. Также сплавы используются в гидравлических соединениях самолетов, обеспечивая абсолютную герметичность стыков за счет эффекта памяти.
• Автомобильная промышленность: Некоторые элементы кузова могут изготавливаться с применением сплавов с ЭПФ. При небольших вмятинах такую деталь достаточно просто нагреть (например, строительным феном или горячей водой), чтобы она сама вернула свой первоначальный вид.

• Бытовая сфера: Из сплавов с памятью формы делают практически неломающиеся оправы для очков. Даже если их согнуть пополам, они легко возвращаются в исходное состояние при небольшом нагреве.

В настоящее время мы часто слышим о тех или иных материалах, которые обладают  эффектом памяти формы. Человечество уже научились применять эти уникальные свойства в различных технических решениях. Считается, что данные материалы весьма перспективны и обладают массой еще не раскрытых свойств. Чаще всего, про “память формы” обыватель может прочитать в описании инновационного умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела человека и потом тело поддерживается в удобном состоянии. Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда. Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.

Опыт простой. Берем проволоку из титана-никеля, которая скручена в пружинку, нагреваем зажигалкой эту пружинку и видим, что спираль начала распрямляться и опять стала ровной проволоченной.

После остывания проволока так и останется прямой. Холодный образец можно вновь скрутить и вновь распрямить зажигалкой. Причём, форму можно придать абсолютно любую. Скажем, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании опять станет прямой.

Главный вопрос, который следует из опыта, тут логичен – что такое происходит с этой проволокой и что это за особая уличная магия?

Для объяснения эффекта нужно иметь общее представление о кристаллической структуре металлов и о процессе закалки. Давайте вспомним самые основы. Попрошу тут не придираться к формулировкам, так как хочется адаптировать текст для самых разных читателей с самыми разными уровнями знаний по теме.

Металлы в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решётку. Кристаллической решеткой называется мнимая конструкция, которую мы можем изобразить, если в пространстве соединим атомы элемента друг с другом линиями.

При этом атомы металла будут расположены в точках пересечения этих мнимых линий или, как это называется более правильно, в узлах решётки. Та часть, которая регулярно повторяется, будет называться элементарной ячейкой решётки. И так всё здорово будет до тех пор, пока речь идёт о чистом компоненте.

Если сплавить два металла вместе, то атомам второго компонента сплава тоже нужно где-то расположиться. У второго компонента, как правило, есть собственная кристаллическая структура, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как хлопья разного типа в молоке.

Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, то атомам второго компонента нужно найти для себя место. При этом основной компонент старается доминировать и его атомы образуют уверенные каркасы, обладая высокой энергией связи. Примесные атомы стараются занять оставшиеся свободные места.

Система уравновешивается в некоторой конфигурации и атомы второго компонента пытаются позанимать вакантные места в новой кристаллической решетке.

Теперь представим себе, что такой двухкомпонентный сплав мы нагрели и видим, что атомы и первого, и второго компонентов пытаются начать интенсивное тепловое движение. Если остудить это великолепие с нормальной скоростью, то система вернется к равновесному состоянию.

Зато вот если охлаждать сплав резко, то второй компонент не успеет распределиться стандартным образом и будут образовываться новые конструкции. Такая структура может называться, например, мартенсит, а процесс именуется закалкой.

Структура после закалки обычно напряжена и напоминает что-то типа сжатой пружины в закрытом ящике. Атомы уже не могут свободно двигаться, а сам ящик становится твёрже. Поэтому, повышаются хрупкость и ломкость. При этом на самом металлическом образце могут образовываться самые различные артефакты. Как думаете, например, откуда берётся узор на знаменитом дамасске?

В некоторых случаях наблюдается интересное явление, которое, как раз-таки и свойственно сплавам титана и никеля.

Структуры, образованные в результате закалки, остаются относительно подвижными. Закаленная проволока из такого сплава хоть и имеет мартенситную структуру, но обладает ещё и памятью формы.

Если мы деформируем такой сплав после закалки (распрямление проволоки из примера), то иглы в структуре закаленного сплава не разрушатся, а просто поменяют конфигурацию. Где-то сместятся, а где-то начнут распрямляться.

Тот стресс, который структура испытала при закалке и та конфигурация, которая получилась при процессе, требовала большой энергии. Эта энергия была отнята у системы с помощью резкой охлаждения. Пока не проведется, например, длительный отжиг для нормализации получившейся структуры, именно конфигурация с иглами станет равновесной. Система будет стремиться к ней.

При простой механической деформации иглы не сломаются и не перестроятся, а пластично деформируются. Этим и отличаются сплавы с памятью формы. В распрямленном образце будет происходить борьба между механическим удержанием каркаса структуры и попыткой системы вернуться к зафиксированному виду после закалки. Когда это только лишь механическая деформация, то напряжений недостаточно и образец остается прямым. Зато если начать его нагревать, то в работу вступают диффузионные процессы.

Эти диффузионные процессы первым делом не заставят структуру вернуться к самой ранней модификации, а потянут её к варианту “после закалки”. Иглы мартенсита, деформируемые механическим образом, начнут возвращаться к первоначально закаленной конфигурации.

Это будет проявляться, как обратное скручивание в форму пружинки. Исходя из схемы чуть выше, стоило бы рассматривать только нижние два состояния.

Подобные сюрпризы, которые появляются при работе внутренних напряжений и температур, могут происходить в самых разных случаях и с разными материалами. Например, на ранних автомобилях сформованная торпеда из полимерного материала выворачивалась обратно при воздействии сильного нагрева из-за стремления вернуться к форме обычного листа. Причем, сворачивалась вместе со всем оборудование. Это было настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли эффект. Ну и для владельцев легковушек тоже.

Заключение

Эффект памяти формы доказал, что границы между живой природой и «неживыми» материалами могут быть невероятно тонкими. Металлы и полимеры, способные адаптироваться к внешним условиям и возвращать свою первоначальную геометрию, переросли статус научных курьезов и стали основой для технологий нового поколения. Сегодня эта технология обеспечивает безопасность авиаперелетов, спасает жизни в операционных и делает наш быт комфортнее.

Перспективы развития технологии

Будущее материалов с памятью формы связано с выходом за рамки привычной металлургии и созданием по-настоящему автономных систем:

• Биомиметическая мягкая робототехника: Разработка роботов без моторов и шестеренок. Мышцы таких механизмов будут состоять из полимеров с памятью формы, которые сжимаются и разжимаются под воздействием тепла, света или электрических импульсов, имитируя живые ткани.
• 4D-печать: Это новое слово в производстве, где четвертым измерением становится время. Напечатанные на 3D-принтере плоские конструкции смогут самостоятельно собираться в сложные трехмерные объекты (например, мебель или детали интерьера) при активации определенной температурой.
• Умный текстиль и одежда: Создание адаптивной экипировки для экстремальных условий. Куртка из такого материала сможет автоматически увеличивать толщину воздушной прослойки и становиться теплее при падении температуры на улице.
• Космическая экспансия: Проектирование саморазворачивающихся орбитальных станций, марсианских роверов и защитных экранов, которые будут принимать рабочую форму прямо в космосе под воздействием солнечного излучения, экономя тонны полезного веса при запуске.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Сколько раз материал может «вспоминать» свою форму? Не устает ли он?
У этих материалов есть свой предел, называемый функциональной усталостью. Качественный нитинол при правильном расчете нагрузок может выдерживать до миллионов циклов срабатывания без потери свойств. Однако если деформация была слишком сильной (запредельной), в кристаллической решетке накапливаются дефекты, и точность возврата формы со временем снижается.

Может ли такой металл помнить две разные формы?
Да, это называется двусторонним эффектом памяти формы. Специальной термомеханической обработкой («тренировкой») материал можно научить помнить одну форму при охлаждении, а вторую — при нагревании. В таком случае деталь начинает работать как автоматический термодатчик-переключатель.

Существуют ли другие материалы с памятью формы, кроме металлов?
Да, сегодня активно развиваются полимеры с памятью формы (ППФ). Они гораздо легче металлов, могут растягиваться в несколько раз сильнее и стоят дешевле в производстве. Кроме того, ученые уже создают керамику и даже композитные гели с аналогичными свойствами.

Безопасен ли нитинол для человеческого организма?
Да, он абсолютно биосовместим. Несмотря на то, что в его составе есть никель (который в чистом виде токсичен), на поверхности нитинола образуется прочнейшая защитная пленка из оксида титана (TiO₂). Она блокирует выход ионов никеля, поэтому медицинские стенты и протезы могут безопасно находиться внутри тела человека десятилетиями.

Автор: Юрий Трифонов @uzumeti
Источник: https://habr.com/