Wyrusz w podróż do świata wiedzy

Pamięć kształtu, część 1

Są w stanie sprawić, że przedmioty zmieniają swoją formę. I nie jest to magia. To projektowanie materiałów z pamięcią kształtu. Poznajcie materiałoznawców.

pamiec kształtu 2Do leczenia skomplikowanych złamań stosuje się specjalne klamerki, które pod wpływem ciepła organizmu człowieka zaginają się zaciskając się na kości zespalając ją. Podobnie działają stenty w żyłach, które rozszerzają się do dokładnie zaprojektowanego wcześniej rozmiaru, wypełniając naczynie krwionośne.

O materiałach z pamięcią kształtu opowiada nam doktor Maciej Zubko z Zakładu Badań Strukturalnych Instytutu Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Zajmuje się badaniem przemian fazowych i strukturalnych w różnych materiałach, głównie stopów niklu (Ni) i tytanu (Ti) – materiałów z pamięcią kształtu.

Pamięć kształtu wynika z występującej w powyższych stopach przemiany fazowej. Istnieją, w zakresie o którym tu mówimy, trzy fazy: wysokotemperaturowa (B2), średniotemperaturowa (R) oraz niskotemperaturowa (B19′). W trakcie zmiany temperatur następuje zmiana układu atomów w danym materiale.

A zatem reorganizacja atomów sprawia, że drucik zmienia kształt. To własność stopów niklu i tytanu, odkryta w latach 50 XX wieku. Proces ten przebiega w taki sposób, że ochłodzony materiał (na przykład za pomocą ciekłego azotu) odkształca się plastycznie, następnie ogrzewa się go (w naczyniu z wrzącą wodą) i wtedy, w efekcie przejścia strukturalnego, atomy zmieniają swoją konfigurację.

Przejście fazowe zmienia mikrostrukturę ziaren i dlatego materiał (konkretny przedmiot) zmienia kształt. Mówimy tu rzędzie wielkości na poziomie mikrometrów, a kryształy, z których zrobione są badane materiały liczą sobie miliardy atomów.

To już obszar krystalografii (z gr. krystallos – „lód” i grapho – „piszę”) – nauki badającej te ciała stałe, których cząsteczki lub atomy układają się w określone schematy. Kryształy charakteryzują się także periodycznością, co oznacza, że odległości pomiędzy cząsteczkami są powtarzalne.

pamiec kształtu 1W roku 1984 Dan Szechtman (ur. 1941), izraelski naukowiec, dokonał ważnej obserwacji – odkrył, że istnieją kryształy, których nie charakteryzuje periodyczność. Oznacza to, że ich struktura jest regularna, ale nie jest powtarzalna. Było to odkrycie przełomowe, i choć niektórzy naukowcy odmawiali jego zaakceptowania, ostatecznie zmieniono definicję kryształu, a w roku 2011 Szechtman otrzymał za to odkrycie nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Ostatnio prof. Szechtman był honorowym gościem Konferencji Krystalografii Stosowanej organizowanej przez Instytut Nauki o Materiałach.

Quasi-kryształy są twarde, ale bardzo kruche. Słabo przewodzą ciepło i prąd, dlatego używa się ich przy konstruowaniu pokryw termoizolacyjnych. Wciąż niewielu naukowców zajmuje się ich badaniem.

Wróćmy do materiałów z pamięcią kształtów. Ażeby dany przedmiot – na przykład wspomniany na początku stent, umieszczany w naczyniu krwionośnym człowieka – mógł przeformować się do zaprogramowanego kształtu, należy poddać go odpowiedniemu „treningowi”, czyli wielokrotnie zmieniać jego kształt w odpowiednich temperaturach. Poznawanie tych, jak i innych fascynujących materiałów możliwe jest dzięki laboratoriom w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie, gdzie mieści się część Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego. Jednym z bardziej interesujących instrumentów pomiarowcy jest transmisyjny mikroskop elektoronowy, który pozwala nawet na obserwację struktury materiałów w skali atomowej.

Część druga już za tydzień!