Los ingenieros desarrollan un nuevo tipo de forma

Sep 27, 2023

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Los metales con memoria de forma, que pueden cambiar de una forma a otra simplemente calentándose o activándose de otra manera, han sido útiles en una variedad de aplicaciones, como actuadores que pueden controlar el movimiento de varios dispositivos. Ahora, el descubrimiento de una nueva categoría de materiales con memoria de forma hechos de cerámica en lugar de metal podría abrir una nueva gama de aplicaciones, especialmente para configuraciones de alta temperatura, como actuadores dentro de un motor a reacción o un pozo profundo.

Los nuevos hallazgos se informaron hoy en la revista Nature, en un artículo del ex estudiante de doctorado Edward Pang PhD '21 y los profesores Gregory Olson y Christopher Schuh, todos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

Los materiales con memoria de forma, explica Schuh, tienen dos formas distintas y pueden alternar entre ellas. Pueden activarse fácilmente por la temperatura, el estrés mecánico o los campos eléctricos o magnéticos, para cambiar de forma de una manera que ejerza fuerza, dice.

"Son materiales interesantes porque son como un pistón de estado sólido", dice, en otras palabras, un dispositivo que puede empujar contra algo. Pero mientras que un pistón es un ensamblaje de muchas partes, un "material con memoria de forma es un material de estado sólido que hace todo eso. No necesita un sistema. No necesita muchas partes. Es solo un material, y cambia su forma espontáneamente. Puede funcionar. Por lo tanto, es interesante como un 'material inteligente'", dice.

Los metales con memoria de forma se han utilizado durante mucho tiempo como actuadores simples en una variedad de dispositivos, pero están limitados por las temperaturas de servicio alcanzables de los metales utilizados, generalmente unos cientos de grados centígrados como máximo. Las cerámicas pueden soportar temperaturas mucho más altas, a veces hasta miles de grados, pero son conocidas por su fragilidad. Ahora, el equipo del MIT ha encontrado una manera de superar eso y producir un material cerámico que puede actuar sin acumular daños, lo que hace posible que funcione de manera confiable como un material con memoria de forma a través de muchos ciclos de uso.

"Los materiales con memoria de forma que existen en el mundo son todos de metal", dice Schuh. "Cuando cambias la forma de un material a nivel atómico, se puede crear una gran cantidad de daño. Los átomos tienen que reorganizarse y cambiar su estructura. Y a medida que los átomos se mueven y reorganizan, es bastante fácil colocarlos en el puntos equivocados y crean defectos y dañan el material, lo que los lleva a la fatiga y eventualmente se desmoronan".

Agrega que "terminas con materiales que pueden deformarse varias veces, pero luego eventualmente se degradan y pueden desmoronarse. Y debido a que los metales son tan dúctiles, son un poco más resistentes a los daños, por lo que el campo realmente se ha enfocado sobre los metales porque cuando un metal está dañado por dentro, puede tolerarlo".

Las cerámicas, por el contrario, no toleran bien el daño y normalmente no se doblan sino que se fracturan. Se sabe que la zirconia tiene una propiedad de memoria de forma, pero acumula daño muy fácilmente durante un ciclo de memoria de forma, una propiedad medida como histéresis alta. "Lo que queríamos hacer con este trabajo era diseñar una nueva cerámica y apuntar específicamente a esa histéresis. Queríamos diseñar una cerámica en la que la transformación [de la forma] fuera de alguna manera gigantesca: queremos hacer mucho trabajo. Pero internamente, en la escala atómica, es más suave".

Schuh explica que Pang, quien dirigió el trabajo, "tomó todas las herramientas modernas de la ciencia, todo lo que puedas nombrar: termodinámica computacional, física de transformación de fase, cálculos cristalográficos, aprendizaje automático, y juntó todas estas herramientas de una manera totalmente nueva. " para resolver el problema de crear dicho material.

El resultado fue una nueva variación de zirconia. "Básicamente, es zirconia", dice Schuh. "Se ve, huele y sabe como la zirconia que la gente ya conoce y usa, incluso como la zirconia cúbica en joyería". Pero algunos átomos de diferentes elementos se han introducido en su estructura de una forma que altera algunas de sus propiedades. Estos elementos "se disuelven en la red, la esculpen y cambian esa transformación, la hacen más suave a escala atómica".

La histéresis cambió tan dramáticamente que ahora se parece a la de los metales, dice Schuh. "Ese fue un cambio enorme, enorme, estamos hablando de un factor de 10". Y la deformación que el material puede lograr asciende a alrededor del 10 por ciento, lo que significa que una barra de este material podría alargarse un 10 por ciento cuando se activa, lo suficiente como para realizar un trabajo significativo.

Una aplicación común de los materiales con memoria de forma son las válvulas de alivio, donde si un tanque de algo excede una cierta temperatura crítica, la válvula se activa por ese calor y se abre automáticamente para aliviar la presión y evitar una explosión. El nuevo material cerámico ahora podría extender esa capacidad a situaciones de temperatura mucho más altas que las que pueden manejar los materiales actuales.

Por ejemplo, los actuadores que dirigen el flujo de aire dentro de un motor a reacción podrían ser una aplicación útil, dice Pang. Si bien el entorno general allí es cálido, se controlan varios canales de flujo de aire, por lo que esos flujos podrían usarse para activar una cerámica con memoria de forma al dirigir aire más frío o más caliente al dispositivo según sea necesario.

Hoy en día, las cerámicas con memoria de forma que existen "son una especie de curiosidad de laboratorio", porque se desmoronan después de unos pocos ciclos, dice Schuh. "Este es un paso en la dirección de hacer algo que pueda operar de manera reproducible y confiable muchas, muchas veces en servicio".

El equipo planea continuar explorando el material, encontrando formas de producirlo en lotes más grandes y formas más complejas, y probando su capacidad para resistir muchos ciclos de transformación.

Lo que lo atrajo de este proyecto en primer lugar, dice Schuh, es su potencial para amplias aplicaciones. "Hay cosas que hacemos con sistemas mecánicos complejos que tienen muchas piezas y ensamblajes, y la idea de que puedes reemplazar un paquete complicado de cosas con un solo material que tiene la funcionalidad integrada a escala atómica, para mí, eso es atractivo porque convierte cosas grandes y complicadas en cosas pequeñas y simples. En cierto modo, es como reemplazar tubos de vacío con transistores".

Si bien es difícil predecir las áreas donde este material encontrará sus primeros usos prácticos, Schuh dice que, por ejemplo, "es muy difícil reducir la escala de un pistón hidráulico. Es difícil hacerlo a escala micro". Pero ahora, "la idea de tener una versión de estado sólido de eso a escalas muy pequeñas, siempre he sentido que hay muchas aplicaciones para movimientos a microescala. Microrobots en lugares pequeños, válvulas de laboratorio en un chip, muchas cosas pequeñas que necesitan actuación podrían beneficiarse de materiales inteligentes como este".

Estos investigadores "muestran cómo se pueden combinar el conocimiento de la ciencia de los materiales, los principios sólidos del diseño y el pensamiento creativo para descubrir materiales que de otro modo se considerarían imposibles de encontrar", dice Raymundo Arroyave, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en la Universidad de Texas A&M, quien no fue asociado a este trabajo. Este trabajo, dice, "es una hermosa demostración del poder del 'pensamiento de la ciencia de los materiales' sólido, basado en principios de diseño de materiales bien probados para demostrar que las cerámicas con memoria de forma pueden tener propiedades que están cerca de algunas de las mejores de sus propiedades metálicas". contrapartes".

El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., en parte a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, y por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

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