V tej objavi na blogu bomo raziskali načela in značilnosti zlitin s spominskim učinkom ter predstavili primere njihove uporabe, od vsakdanjega življenja do najsodobnejše tehnologije.
Antena, ki se zloži v kompaktno velikost za lažji transport, a se v vesolju popolnoma razpre; srajca, katere rokavi se samodejno zavihajo, ko se segreje; očala, ki se vrnejo v prvotno obliko, tudi ko so upognjena – ti scenariji, ki so se nekoč zdeli kot nekaj iz znanstvenofantastičnega filma, so zdaj resničnost. To omogoča »zlitina s spominom oblike«. Kot že ime pove, so »zlitine s spominom oblike« zlitine, ki si zapomnijo svojo obliko. Tudi ko zlitina dobi določeno obliko in se nato s silo deformira v drugo obliko, se ob segrevanju vrne v prvotno obliko. Nastanek te zlitine – ki se zdi kot nekaj, kar bi obstajalo le v domišljiji – je nastal povsem po naključju. Leta 1960 je raziskovalec med poskusom v ameriškem laboratoriju za mornariško orožje opazil, da se vzorec niklja (Ni)-titana (Ti) začne zvijati, ko se ob njega prisloni vžigalnik. Nadaljnje raziskave tega pojava so privedle do razvoja zlitin s spominom oblike niklja (Ni)-titana (Ti), ki se uporabljajo predvsem danes.
Sposobnost zlitin s spominskim učinkom, da se kljub zunanji deformaciji vrnejo v prvotno obliko, je posledica kristalne strukture kovine – torej razporeditve njenih atomov. Vse kovine so sestavljene iz atomov, razporejenih v pravilnem vzorcu in tvorijo kristale, ti kristali pa imajo ponavljajočo se notranjo strukturo. Pri večini kovin se deformacija pri upogibanju, raztezanju ali segrevanju od zunaj pojavi brez spreminjanja razporeditve atomov. Nasprotno pa imajo zlitine s spominskim učinkom dve stabilni kristalni strukturi, ki se spreminjata s temperaturo; posledično se pri spremembi temperature spremeni tudi sama razporeditev atomov. Na primer, jeklo ima pri visokih temperaturah med različnimi fazami ploskovno centrirano kubično (fcc) razporeditev atomov – znano kot avstenit –, ko pa se ohladi, se spremeni v prostorsko centrirano kubično (bcc) razporeditev atomov, znano kot martenzit. Ker se martenzit lahko deformira od zunaj, ga je mogoče oblikovati po želji; ko se segreje, si zlitina »zapomni« to obliko v svojem avstenitnem stanju. Nato se, tudi če se oblika spremeni, vrne v prvotno obliko zgolj z zvišanjem temperature.
Da bi bolje razumeli načelo delovanja zlitin s spominom oblike, jih lahko primerjamo z živim organizmom. Zlitine s spominom oblike so kot živi organizmi, ki si pod določenimi pogoji »zapomnijo svojo obliko« in se ob spremembi okoliščin »vrnejo« v prvotno stanje. Z drugimi besedami, pri visokih temperaturah ohranijo svojo prvotno obliko, ko pa so izpostavljene zunanjim vplivom ali deformaciji, začasno prevzamejo novo obliko, a se sčasoma vrnejo v prvotno stanje. Kot take zlitine s spominom oblike veljajo za »pametne materiale«, ki presegajo omejitve preprostih kovin z večkratnim deformiranjem in obnavljanjem same od sebe, zato potekajo raziskave, s katerimi bi se lahko odzvale ne le na temperaturo, temveč tudi na različne dražljaje, kot so električni impulzi, magnetna polja in tlak.
Na podlagi tega načela je bilo s pomočjo nenehnih raziskav odkritih na desetine sistemov zlitin – vključno z nikljevimi (Ni), bakrovimi (Cu) in železovimi (Fe). Vendar pa imajo vsi dve skupni značilnosti. Prva je »sila okrevanja«. Sila okrevanja se nanaša na silo, ki deluje na zlitino, ko se zaradi temperaturnih sprememb vrne v prvotno obliko; ker je ta sila pomembna, jo je mogoče mehansko izkoristiti. Druga značilnost je »ponovljivost«. Tudi po tem, ko je zlitina prestala en cikel deformacije in okrevanja, jo ponovna deformacija vrne v prvotno obliko. Ta postopek kaže ponovljivost, ki omogoča, da se zlitina vrne v prvotno obliko tudi po stotinah ciklov. Na podlagi teh lastnosti sile okrevanja in ponovljivosti so se zlitine s spominom oblike uveljavile kot bistveni materiali na različnih področjih.
Zlitine s spominom oblike, ki imajo za razliko od navadnih kovin edinstvene lastnosti "obnovitve" in "ponovljivosti", so se sprva uporabljale le v vesoljskih raziskavah, vojski in industriji. Vendar pa zdaj igrajo pomembno vlogo v številnih vidikih vsakdanjega življenja, njihova uporaba pa je praktično neomejena. Na primer, na področju vesoljske tehnologije se zlitine s spominom oblike uporabljajo v komponentah, kot so krila in sončne celice; zasnovane so lahko tako, da med izstrelitvijo vesoljskega plovila ostanejo zložene v kompaktno stanje in se nato samodejno razprejo ob vstopu v vesolje. To omogoča večjo površino, hkrati pa zmanjšuje prostornino, s čimer se izboljša učinkovitost transporta in znižajo stroški izstrelitve.
Z uporabo lastnosti zlitine – ki za obnovo in deformacijo zahteva temperaturne spremembe – na telesno toploto obstajajo številne aplikacije, povezane s človeškim telesom. Primeri vključujejo "spominske žice modrčka", kjer se upognjene žice modrčka ob stiku s telesno toploto med pranjem zravnajo v prvotno obliko, in majice brez gub z vlakni zlitine s spominom oblike, ki prilagajajo dolžino rokavov glede na vreme in temperaturo, kar vse olajša vsakdanje življenje. Poleg tega se pogosto uporabljajo ortodontski aparati, ki uporabljajo telesno toploto za enakomerno poravnavo zob, zlitine s spominom oblike pa se vstavljajo v ozke krvne žile, da se razširijo na želenem mestu, kar služi medicinskim namenom, kot je povezovanje ali podpiranje poškodovanih delov telesa. Če bi lastnosti zlitin s spominom oblike združili s področjem biotehnologije, bi bili sinergijski učinki ogromni. Poleg teh aplikacij jih njihova občutljivost na temperaturne spremembe naredi uporabne kot avtomatske senzorje za nadzor temperature v škropilnikih in grelnikih, uporabljajo pa se tudi na področjih, ki zahtevajo visoko stabilnost, kot so cevni spoji v podmornicah in letalih.
Čeprav imajo zlitine s spominom oblike odlične lastnosti in širok spekter uporabe, imajo seveda tudi pomanjkljivosti. Težko jih je obdelovati, oblikovati in so drage, kar predstavlja oviro za njihovo praktično uporabo. Za premagovanje teh pomanjkljivosti trenutno potekajo obsežne raziskave. Posledično so zlitine s spominom oblike, izdelane iz bakra – ki je relativno cenejši od titana – in plastike s spominom oblike, ki imajo enake lastnosti kot zlitine s spominom oblike, vendar so stroškovno konkurenčnejše, na robu komercializacije. Trenutno so raziskave na področju materialnega inženirstva v polnem teku za razvoj bolj praktičnih materialov s spominom oblike. Zlasti lastnosti spomina oblike se širijo preko zlitin, da vključujejo polimerne materiale, in jih združujejo s prednostmi polimerov – kot so lahkotnost, oprijem in enostavnost oblikovanja – da omogočajo raznoliko uporabo v medicinskih materialih in tekstilu. Poleg tega potekajo prizadevanja za razširitev lastnosti spomina oblike – ki se odzivajo na temperaturne spremembe – da bi vključevale različne dražljaje, kot so magnetne sile in kislinsko-bazične reakcije.
Če pogledamo nazaj v človeško zgodovino, je razvoj civilizacije spodbujal material in snovi, ki so se pretežno uporabljali v posameznih obdobjih, kot so kamen, bron, železo, plastika in silicij. Razvoj in napredek materialov je omogočil računalnike, vesoljska plovila so lahko potovala v vesolje in v širšem smislu omogočil naš sedanji način življenja. V tem kontekstu so zlitine s spominom oblike – ki jih lahko štejemo za nove materiale – tudi materiali, ki bodo svet, ki si ga nekoč nismo mogli predstavljati, spremenili v resničnost. Veselimo se prihodnosti, ki bo naredila še korak naprej, ki jo prinašata razvoj in uporaba zlitin s spominom oblike, ki imajo dovolj potenciala za ustvarjanje boljšega sveta.
