Materiales con memoria de forma

Algunos materiales tienen lo que se conoce como memoria de forma. El efecto de memoria de forma puede describirse como la capacidad de un material para cambiar la forma debido a la aplicación de un estímulo externo.

Bajo el término de materiales con memoria de forma existen cuatro clases diferentes, según la naturaleza del material o del estímulo externo al que responden. Estos cuatro tipos son los conocidos como Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys SMA), Cerámicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics SMC), Polímeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers SMP) y Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMA).

Generador piezoeléctrico.

En los materiales SMA esta memoria es térmica. Las aleaciones con memoria de forma (SMA) tienen la capacidad de recobrar una forma dada, durante la fabricación del objeto, si se les ha deformado en frío posteriormente, cuando se les somete a una fuente de calor de suficiente temperatura. Mientras vuelven a su forma original, estos materiales también pueden ejercer fuerza sobre algo que se oponga al cambio de forma.

El efecto por el cual las SMA recuperan su forma es consecuencia de la transformación martensítica. Originalmente el término "transformación martensítica" estaba reservado a los aceros, pero ahora se aplica a diferentes cambios en la estructura cristalina de muchos materiales que no afectan a su composición química. En esta transformación tenemos una fase (Disposición de los átomos) de alta temperatura llamada austenita, de estructura cúbica. Si enfriamos el material, su estructura cambia a martensita, formada por laminillas, sumamente entretejidas y dispuestas en cortes alternados.

En la fase de martensita, una SMA es muy fácil de deformar permanentemente. Después de ser deformada en el estado martensítico, el calentamiento provoca una transformación de la martensita en austenita, con lo cual el componente recupera su forma original. Estamos ante un cambio de sólido a sólido en el que se produce un cambio de volumen. En la fase martensítica (Al enfriarse) el material se debe acomodar a un volumen mayor. Y eso lo hace generando diferentes orientaciones de sus cristales. Al volver a la temperatura inicial, la estructura cristalina del material recobra la simetría perdida y recupera también su forma inicial.

Stent con aplicador.

El efecto de memoria de forma y súperelasticidad en las aleaciones SMA (Shape Memory Alloy) ya fue observado por Büehler y sus colaboradores en 1963 cuando descubrieron el Nitinol, una aleación de Níquel y Titanio, al 50%, que a temperaturas bajas puede ser deformado fácilmente, pero que al tomar alta temperatura cambia a una forma mas dura, ejerciendo una fuerza estable.

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) han cobrado gran interés comercial en los últimos años debido al amplio rango de funciones que pueden cumplir en el área de la medicina, la odontología y las aplicaciones electrónicas. En la actualidad también se investiga con aleaciones de Níquel-Manganeso-Galio, de Cobre, Zinc y Aluminio o de Níquel con otros elementos, como el Hierro, el Cobalto o el Aluminio.

Un ejemplo ilustrativo de sus usos podría ser el de un fino alambre de níquel-titanio que en fase martensítica es maleable. Podemos ajustarlo, por ejemplo, al contorno de los dientes de un paciente que precise ortodoncia. Aunque parezca que el material ha quedado con la forma que le acabamos de dar, no es así, ya que el hilo de níquel-titanio, una vez colocado en la boca, recobrará la temperatura necesaria para pasar a su fase austenítica y tenderá a recuperar su anterior forma, ejerciendo presión sobre los dientes del paciente. Esta aleación mantendrá esta presión de forma constante.

Por su superelasticidad estas aleaciones se emplean también en numerosos dispositivos de cirugía no invasiva, como los stents, utilizados para abrir el paso en las arterias. Pero su campo de aplicación abarca actualmente numerosos sectores, desde las antenas desplegables para satélites, los materiales para la construcción de puentes colgantes o los sensores antisísmicos. Estos materiales también encuentran aplicación en robótica.

Se han construido brazos con pinzas para pequeños robots capaces de manipular objetos de tamaño reducido. En su interior se encuentra un hilo de nitinol por el que se hace circular una corriente eléctrica que lo calienta, contrayéndose y cerrando la pinza. Cuando no se aplica corriente, las pinzas se abren del todo. Se han conseguido precisiones en los movimientos de hasta una micra.

Las aleaciones de memoria activadas de forma magnética o ferromagnética (MSM o FSMA) producen los mismos efectos que las aleaciones SMA, pero aplicando sobre ellas un campo magnético. El fenómeno de la magnetoestricción, por medio del cual un campo magnético externo puede cambiar las dimensiones de un objeto, fue observado en 1842 por Joule. En los materiales ferromagnéticos usuales como el Fe y el Ni, las deformaciones asociadas con la magnetoestricción son del orden de 10^-4 % mientras que en materiales con una magnetoestricción excepcionalmente grande, por ejemplo las aleaciones de Tb-Dy-Fe (Terfenol-D), muestran deformaciones del orden del 0,1 %.

Los materiales con memoria activada de forma magnética pueden conseguir grandes deformaciones inducidas mediante un campo magnético. Se han desarrollado espumas metálicas a partir de aleaciones de Ni–Mn–Ga cuya estructura presenta muchos huecos entre porciones de material sólido. Estas estructuras tienen una organización granular similar a la del bambú y pueden deformarse cuando se aplica un campo magnético. Estos materiales no se consiguen fácilmente en el comercio. De momento se preparan fundamentalmente en los laboratorios universitarios. Con ellos se ha logrado construir actuadores para alinear espejos de grandes telescopios con una precisión de 20 nanómetros.

Los polímeros con memoria de forma son plásticos con la capacidad de recordar su forma original. El mecanismo del efecto de memoria de forma en los polímeros puede producirse, no sólo por temperatura, sino también por medio de la luz o por reacciones químicas.

Los metales y polímeros piezoeléctricos son materiales que cambian de forma ante la acción de una tensión eléctrica y viceversa, ante una deformación producen una tensión. Esto es así porque los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría, y ante una compresión separan sus cargas positivas y negativas apareciendo de este modo dipolos eléctricos.

El titanato de plomo es un material ferroeléctrico que sometido a presión produce la mayor respuesta piezoeléctrica de todos los materiales conocidos. Entre las aplicaciones de este tipo de materiales se encuentran los transductores acústicos usados en sistemas de sonar y en dispositivos de ultrasonidos, así como para motores de alta precisión. También pueden utilizarse para obtener electricidad a partir del movimiento y las vibraciones ambientales.