Metalurgia física: Materiales inteligentes con memoria de forma

SMART MATERIALS

En términos generales, un tipo de materiales, una nueva generación de materiales derivadas de la nanotecnología, cuyas propiedades pueden ser controladas y cambiadas a petición.
Es una de las principales líneas de investigación de la nanociencia con aplicaciones a muchas industrias. Por ejemplo: fibras inteligentes para la ropa (Smart Fibres, Fabrics and Clothing). Sistemas inteligentes para diversas aplicaciones (Smart Systems: Microphones, Fish Farming)

Los materiales inteligentes tienen la capacidad de cambiar su color, forma, o propiedades electrónicas en respuesta a cambios o alteraciones del medio o pruebas (luz, sonido, temperatura, voltaje). Estos materiales podrían tener atributos muy potentes como la autoreparación.

Relacionados con esto están los súper materiales (super materials) con extraordinarias propiedades. La capacidad de crear componentes con precisión atómica puede llevar a estructuras moleculares con interesantes características tales como una alta conductividad eléctrica o potencia.

¿Qué es un material inteligente? ¿Qué lo hace más inteligente que un material "tonto" pasivo?

"Adaptronics" es una palabra también utilizada comúnmente para materiales inteligentes. Los materiales inteligentes son una nueva clase de materiales que tienen tanto la capacidad de sentir y de responder a estímulos ambientales con control activo de su respuesta. La integración de materiales activos en materiales compuestos estructurales, algoritmos de control y tecnología de procesamiento de señales son las tecnologías que lo permiten.

Tales "materiales inteligentes" ofrecen muchas nuevas y mejoradas capacidades particularmente en rendimiento, durabilidad y confiabilidad.
Los materiales inteligentes proveerán a los diseñadores e ingenieros con significativas capacidades nuevas para controlar forma geométrica, movimiento del material, flujo aerodinámico e hidrodinámico, disminución de vibración, y otras capacidades que pueden decirse son atributos de un sistema material/estructural.

Aplicaciones potenciales incluyen:
Herramientas - aumentar la precisión y aumentar la productividad al controlar ruido.
Robótica flexible - permite movimiento más rápido con mayor precisión.
Foto-litografía - permite fabricar circuitos micro-electrónicos más pequeños al controlar la vibración en el proceso de impresión de circuitos por foto-litografía.
Biomecánica y Biomédica - músculos artificiales, sistemas de entrega de medicinas y otras tecnologías de asistencia.

Hoy en día, gracias a la popularidad que ha ido adquiriendo a lo largo de estos últimos años, el término “inteligente” se ha adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto.

No existe un consenso a la hora de aplicar este término a un material o estructura, pero si existe un acuerdo en cuanto a ciertos criterios o rasgos comunes que deben presentar los llamados materiales o estructuras inteligentes:
• Estos materiales, de manera intrínseca o embebida, presentan sensores de reconocimiento y medida de la intensidad del estímulo ante el que reaccionará el material.
• A su vez presentan “actuadores”, embebidos o intrínsecos, que responden ante dicho estímulo.
• Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y selección de la respuesta.
• El tiempo de respuesta es corto.
• El sistema regresa a su estado original tan pronto como el estímulo cesa.

Si se tienen en cuenta estos puntos genéricos, se podría adoptar como definición de sistema inteligente la siguiente: “Sistema o material que presenta sensores, ’actuadores’ y mecanismos de control, intrínsecos o embebidos, por los cuales es capaz de sentir un estímulo, de responder ante él de una forma predeterminada en un tiempo apropiado y de volver a su estado original tan pronto como el estímulo cesa”.

En el área de los materiales inteligentes se plantea el diseño y desarrollo de materiales funcionales cuya capacidad reside en la captación de las variaciones del entorno y responder a las mismas mediante la emisión de una energía que puede ser procesada.
En su concepto más teórico el material inteligente sería aquel que incorpora una actuación o respuesta adecuada de tipo “reflexivo” al estímulo del entorno que lo provoca.

ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA

La primera vez que uno escucha que un pedazo de material ha "aprendido" algo, no puede menos que prepararse a escuchar algún cuento tradicional o de ciencia ficción en el que los objetos inanimados se mueven por sí solos, hablan y aprenden. La disposición a escuchar la fantasía se incrementa cuando se nos afirma que, una vez que el material ha aprendido algo, es capaz de recordarlo. Sin embargo, nuestra curiosidad por dicha narración se convierte en curiosidad científica cuando podemos presenciar el experimento siguiente: Una cinta de material similar al latón, en forma de semicírculo, se aproxima a una flama. Pronto empieza a enderezarse hasta tomar la forma de una regla, es decir, ahora está recta. A continuación se le sumerge en un vaso que contiene agua y súbitamente se curva para tomar su forma inicial de semicírculo. El experimento se repite una y otra vez, y la cinta invariablemente "recuerda" que cuando está en presencia de una flama (60°C) debe estar recta, y que cuando está expuesta al ambiente (20°C) debe tomar la forma de semicírculo.

Si ahora se nos preguntase el nombre que le asignaríamos a tan sorprendente fenómeno, estoy seguro que el más apropiado sería: "memoria de forma doble", pues el material guarda memoria de las formas que debe adoptar cuando se encuentre a dos temperaturas bien determinadas. ¿Qué es lo que provoca que el material se comporte de esta manera?
Microscópicamente, el llamado efecto memoria de forma consiste en el desplazamiento de los átomos en ciertas aleaciones cuando éstas se enfrían bruscamente. Técnicamente se trata de un cambio de fase denominado transformación martensítica, de la cual ya se habló en este libro al tratar el "misterio" de los aceros de Damasco.

Cuando hablamos sobre ellos, mencionamos como responsable de su dureza a un proceso de transformación de una fase estable a alta temperatura (austenítica) a otra fase, generalmente metaestable, llamada martensítica, que ocurre como consecuencia del enfriamiento brusco.

Esta transformación tiene la particularidad de llevarse a efecto sin difusión, es decir, sin migración de moléculas. Lo que ocurre es simplemente un desplazamiento de átomos en forma organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.

Desde hace 40 años los metalurgistas conocían materiales que poseían ese don de regresar a una forma previamente impuesta. No obstante, el estudio y la búsqueda de aplicaciones de estos metales con memoria sólo se intensificaron cuando Guillermo Buehler descubrió una aleación llamada NITINOL en un laboratorio de investigaciones militares de los Estados Unidos, el cual consiste en una aleación de Níquel y Titanio. A temperaturas bajas puede ser deformado fácilmente. Pero al tomar alta temperatura (por medio de un calentador externo o por circulación de una corriente eléctrica) el metal cambia a una forma mas dura, ejerciendo una fuerza estable.

Estos materiales generalmente se los encuentra en forma de alambres (Alambres Musculares) en un amplio rango de diámetros. Los alambres pueden ser fácilmente entrenados y darle forma de resortes, bobinas, etc.

Una vez entrenado, este puede ser enfriado, deformándose y recobrar la forma inicial al ser calentado. Los resortes pueden ser encontrados en una amplia gama de tamaños, estos pueden ser contraídos o expandidos cuando se enfrían (temperatura ambiente), volviendo a su forma original al calentarse.Hoy se están viendo ya muchas aplicaciones pacíficas de los metales con memoria: motores, seguros contra calentamientos filtros intravenosos para coágulos, articulaciones óseas artificiales, ortodoncia y un sinnúmero más. A quien piense en una pieza que pueda tomar cualquiera de dos formas enteramente distintas, dependiendo sólo de un cambio en la temperatura de unos cuantos grados, en un momento se le ocurrirán decenas de aplicaciones.

*Metalurgia Peru