Cosa sono le leghe a memoria di forma? Una guida alle loro proprietà e applicazioni

SMA è l'acronimo di leghe a memoria di forma, che sono materiali intelligenti in grado di ricordare la loro forma e di cambiare in base al calore. Questo articolo degli autori informerà i lettori su cosa sono le SMA, come funzionano, alcuni materiali comuni come il Nitinol, le applicazioni nel settore aerospaziale, roboticamedicina e così via, la collaborazione con loro, le sfide e le direzioni di ricerca in corso.

La magia delle leghe a memoria di forma: Materiali che ricordano la loro forma

Le SMA, o leghe a memoria di forma, sono metalli speciali che tendono a cambiare la loro forma in risposta a una variazione di temperatura. Gli atomi nelle SMA tendono ad allinearsi in due diverse strutture cristalline.

Struttura atomica

Le SMA sono composte da atomi molto piccoli che si uniscono in schemi chiamati strutture cristalline. A una certa temperatura, gli atomi preferiscono adattarsi l'uno all'altro in una struttura schiacciata chiamata martensite. A una temperatura più elevata, si allargano in una struttura aperta chiamata austenite. La possibilità di passare da una disposizione atomica all'altra è ciò che conferisce alle SMA le loro speciali leghe a memoria di forma.

Cambiare forma con il calore

Se uno SMA viene piegato nella sua struttura di martensite, ricorderà la nuova forma. Ma quando viene riscaldato oltre un certo punto, si trasforma nella sua struttura di austenite e ritorna alla sua forma originale, non piegata. Questo si chiama effetto memoria di forma. Ad esempio, un filo SMA può essere piegato ma poi tornare dritto quando viene riscaldato con acqua calda.

Rimanere bloccati in una forma piegata

Alcuni SMA presentano un altro effetto a freddo, chiamato superelasticità o pseudoelasticità. Se vengono piegati oltre un punto a freddo, i loro atomi passano bruscamente alla struttura della martensite per adattarsi alla nuova forma senza rompersi. Ma quando non vengono piegati, si ritrasformano senza problemi in austenite, senza bisogno di calore. È come se il metallo rimanesse bloccato nelle leghe a memoria di forma piegate, fino a quando non viene piegato.

Come il Nitinol aiuta l'organismo

Il nitinol è un materiale unico Stampa 3D del metallo che possono avere memoria della loro forma. Il medico utilizza il nitinol nel corpo umano per il suo tipo di memoria, noto come leghe a memoria di forma del metallo. Aiuta a risolvere i problemi e a somministrare farmaci.

Aprire la parte stenotica dell'arteria

A volte i depositi di grasso si accumulano all'interno delle arterie e bloccano il flusso del sangue. I medici inseriscono dei piccoli tubi a rete chiamati stent per aprire le arterie ostruite. Gli stent sono realizzati in nitinolo. Vengono compressi e inseriti nelle arterie con un sottile tubo flessibile chiamato catetere. Una volta posizionato, lo stent viene riscaldato dal calore corporeo e si apre fino a raggiungere la sua forma libera, mantenendo le arterie aperte per il flusso sanguigno.

Le sostituzioni articolari alleviano il dolore

Un'altra applicazione è l'utilizzo del nitinol per sostituire parti di un'articolazione usurata, come il ginocchio o l'anca. Le protesi articolari consentono un movimento fluido. Gli impianti in nitinolo sono flessibili, quindi si muovono come le ossa vere. Vengono modellati per adattarsi al corpo durante l'intervento chirurgico e poi ricordano quella forma. Ciò consente agli impianti di durare a lungo senza usurarsi.

Medicina in tempo

I medici stanno realizzando dei piccoli contenitori in nitinol per trasportare i farmaci all'interno del corpo. Il farmaco viene conservato all'interno fino al momento di rilasciare una dose. I contenitori sono progettati per aprirsi a una certa temperatura che si trova in una parte del corpo. Questo aiuta a somministrare la giusta quantità di farmaco al momento giusto, senza dover intervenire chirurgicamente per sostituire il contenitore. Le leghe a memoria di forma di Nitinol hanno una tempistica precisa per aiutare a guarire le malattie.

Ali di nitinolo che cambiano forma

Gli ingegneri utilizzano il nitinol nelle ali e nelle parti degli aerei perché può cambiare forma da solo. Il nitinol 'ricorda' due forme: come appare dritto e come appare piegato. Questo aiuta gli aerei a volare meglio in condizioni atmosferiche diverse.

Ali che si adattano al vento

Gli ingegneri aerospaziali stanno realizzando ali speciali per aerei in nitinolo. Queste ali possono regolare le loro leghe a memoria di forma durante il volo, grazie a minuscoli fili di nitinol all'interno. Quando il vento diventa violento, i fili si riscaldano a causa dell'attrito con l'aria. Allora il nitinolo 'sa' di piegare un po' l'ala. In questo modo le ali mantengono la forma giusta, in modo che l'aria scorra senza problemi. Questo permette agli aerei di volare forte senza tremare, anche durante le tempeste.

Flap alari che si muovono da soli

I flap alari degli aerei normali sono mossi da persone o da motori. Ma i flap in nitinol possono cambiare angolo da soli! Gli ingegneri realizzano i flap con il nitinol. Durante il decollo e l'atterraggio, i flap devono inclinarsi verso il basso per aiutare gli aerei a rallentare o accelerare. I fili di nitinolo nei flap percepiscono i cambiamenti di temperatura dovuti al volo veloce o lento. Tirano automaticamente i flap verso il basso in posizione, senza l'ausilio di motori. Questo fa risparmiare carburante e rende il volo più efficiente.

Dagli ugelli alle staffe - Parti che cambiano forma

Molte piccole parti azionate su aerei e razzi utilizzano il nitinolo. Tra gli esempi vi sono gli ugelli dei motori a razzo che cambiano l'area di uscita a seconda della velocità. Le cerniere in nitinolo consentono di bloccare in posizione le staffe mobili senza viti. Grazie alle sue leghe a memoria di forma, il nitinolo aiuta aerospaziale I componenti cambiano forma proprio quando è necessario, per voli più sicuri e fluidi.

Robot che si muovono con la memoria di forma

Gli ingegneri utilizzano le leghe a memoria di forma o SMA per far muovere i robot da soli, senza batterie o cavi. Le SMA "ricordano" due forme e possono passare da una all'altra grazie alle variazioni di temperatura. Questa speciale proprietà consente loro di agire come muscoli per i sistemi robotici.

Gli attuatori SMA alimentano il movimento robotico

Molti robot utilizzano fili o strisce SMA come attuatori autonomi. Quando viene applicata la tensione o l'acqua calda, lo SMA si 'ricorda' di piegarsi o allungarsi. Questo movimento consente alle articolazioni dei robot di oscillare, alle pinze di aprirsi e chiudersi e altro ancora. Ad esempio, una mano robotica ha attuatori SMA in ogni dito che lo arricciano in una posizione di presa. Anche i robot telecomandati sott'acqua o nello spazio possono utilizzare gli attuatori SMA senza elettronica.

Progettare robot "morbidi" più simili alla vita

Con le SMA, i robot possono avere corpi più flessibili e leggeri, simili agli animali o agli esseri umani. Gli ingegneri realizzano robot "morbidi" con fili SMA rivestiti di silicone incorporati in tubi o fogli flessibili. Quando vengono riscaldati, gli SMA si contraggono localmente per avviare movimenti complessi come contorcersi, piegarsi o afferrare senza componenti rigidi. Questi robot morbidi potrebbero un giorno aiutare nelle missioni di salvataggio o nelle procedure mediche, navigando in ambienti insoliti.

L'effetto delle leghe a memoria di forma degli SMA consente loro di alimentare movimenti robotici realistici. Questo apre nuove possibilità per l'automazione su terra, mare, aria, spazio e persino all'interno del corpo umano.

Utilizzo della memoria di forma per la sicurezza degli edifici

Gli ingegneri civili impiegano le leghe a memoria di forma nelle strutture per aiutare a resistere ai terremoti, monitorare l'usura delle infrastrutture e altro ancora. Le SMA "ricordano" la loro forma e cambiano con il calore, a tutto vantaggio delle costruzioni.

Ammortizzatori che attutiscono i terremoti

Le SMA aiutano gli edifici antisismici. Gli ingegneri installano smorzatori alimentati da SMA negli edifici tra i piani e le fondamenta. Durante i terremoti, i pavimenti e le fondamenta vibrano a frequenze diverse. Normalmente, questo provoca danni nel tempo. Ma gli smorzatori SMA rilevano le vibrazioni. Si contraggono per assorbire e dissipare l'energia dei movimenti di scuotimento. In questo modo, la struttura viene ammortizzata dalle sollecitazioni del terremoto senza bisogno di energia supplementare.

Controllo della fatica del metallo

Le bobine di filo SMA possono valutare la fatica in ponti, gallerie e altre infrastrutture. Le bobine posizionate in punti metallici critici si contraggono lentamente nel corso di molti cicli di carico. Gli ingegneri controllano le bobine regolarmente. Se una bobina si è contratta più del previsto, segnala la presenza nelle vicinanze di un'altra bobina. fabbricazione di lamiere metalliche potrebbero indebolirsi a causa delle sollecitazioni di carico ripetute prima del previsto. Ciò richiede un'ispezione più accurata prima che si verifichi un guasto.

Rilevare le deformazioni dopo i disastri

Dopo i terremoti o le inondazioni, i sensori rivestiti di SMA posizionati nelle crepe delle strade e degli edifici consentono alle autorità di monitorare a distanza qualsiasi allargamento. Se le crepe si allargano nel tempo, significa che esiste una maggiore instabilità che richiede riparazioni costose. I piccoli sensori SMA aiutano a dare priorità alle esigenze di ricostruzione più urgenti, senza dover effettuare noiose misurazioni in loco.

Le sfide del lavoro con le leghe a memoria di forma

Sebbene le SMA mostrino incredibili proprietà di adattamento, per realizzare il loro pieno potenziale è necessario affrontare le sfide legate alla durata, termodinamica, e produzione.

Gli SMA subiscono uno stress ogni volta che passano da una struttura atomica all'altra. Questo affaticamento può causare un indebolimento o una degradazione nel corso di molti cicli continui. Migliorare la durata di vita rimane importante.

L'effetto delle leghe a memoria di forma si basa anche su meccanismi di riscaldamento e raffreddamento. Un'attenta gestione termica assicura che gli SMA raggiungano le temperature necessarie in modo uniforme per ottenere prestazioni costanti. Le condizioni del mondo reale possono avere un impatto sul controllo termico.

La produzione di SMA con forme geometriche precise e complesse per diversi ruoli meccanici richiede metodi di produzione meticolosi e spesso costosi. Gli ingegneri ricercano nuove tecniche per configurare in modo conveniente le proprietà dello SMA.

In conclusione, le leghe a memoria di forma presentano una notevole natura adattativa che consente diverse applicazioni. La ricerca continua cerca di affrontare le sfide e di far progredire le possibilità di questi materiali "intelligenti". Le applicazioni future dipendono dalla capacità degli SMA di soddisfare le esigenze in evoluzione grazie alla loro memoria di forma intrinseca.

Conclusione

In conclusione, le leghe a memoria di forma dimostrano proprietà davvero uniche, che hanno dato vita a immense applicazioni innovative in diversi campi. La loro capacità di "ricordare" automaticamente e di cambiare forma in risposta alla temperatura offre un'utilità diversa dai materiali convenzionali. Le SMA hanno permesso di migliorare i dispositivi medici, di rendere più affidabile la robotica e la tecnologia dell'automazione, di migliorare le soluzioni strutturali dell'ingegneria aerospaziale e civile e molto altro ancora.

Tuttavia, sfruttare appieno le loro capacità di adattamento richiede un lavoro continuo per risolvere le sfide. I ricercatori di tutto il mondo continuano a cercare di comprendere meglio i comportamenti dei materiali delle leghe a memoria di forma, di perfezionare i processi di produzione, di migliorare le prestazioni meccaniche e la durata e di avanzare i metodi per il controllo termico preciso e il trasferimento di energia. Affrontare queste aree aiuterà a spingere i confini di ciò che è possibile fare con la tecnologia SMA "intelligente". Il futuro rimane luminoso grazie all'espansione della conoscenza di questi straordinari materiali. materiali in lega e il loro potenziale per dare vita ad applicazioni ancora più impattanti e che cambiano la vita.

Domande frequenti

D: Come cambiano la forma delle SMA?

La SMA più diffusa è nota come Nitinol e rientra nella categoria del nichel-titanio. Altri materiali SMA includono leghe di rame-zinco-alluminio e ferro-manganese-silicio.

D: Quali sono le applicazioni delle SMA?

Utilizziamo gli SMA in applicazioni come stent biomedici, allineatori ortodontici, impianti vascolari, attuatori aeronautici, dispositivi di fissaggio attivati dal calore, materiali auto-riparanti e giunti e pinze robotiche.

D: Quali sono le sfide che si incontrano lavorando con le SMA?

Alcune sfide includono l'affaticamento dovuto a cicli di carico ripetuti, il controllo preciso dei tassi di riscaldamento/raffreddamento, tecniche di produzione complesse e uscite di forza/coppia limitate.