Gli ingegneri sviluppano un nuovo tipo di forma

Sep 27, 2023

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I metalli a memoria di forma, che possono ritornare da una forma a un'altra semplicemente essendo riscaldati o attivati ​​in altro modo, sono stati utili in una varietà di applicazioni, come attuatori in grado di controllare il movimento di vari dispositivi. Ora, la scoperta di una nuova categoria di materiali a memoria di forma realizzati in ceramica anziché in metallo potrebbe aprire una nuova gamma di applicazioni, in particolare per ambienti ad alta temperatura, come gli attuatori all’interno di un motore a reazione o un pozzo profondo.

Le nuove scoperte sono state riportate oggi sulla rivista Nature, in un articolo dell'ex studente di dottorato Edward Pang PhD '21 e dei professori Gregory Olson e Christopher Schuh, tutti del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT.

I materiali a memoria di forma, spiega Schuh, hanno due forme distinte e possono passare dall'una all'altra. Possono essere facilmente innescati dalla temperatura, dallo stress meccanico o dai campi elettrici o magnetici, per cambiare forma in modo da esercitare una forza, dice.

"Sono materiali interessanti perché sono una specie di pistone a stato solido", dice, in altre parole, un dispositivo che può spingere contro qualcosa. Ma mentre un pistone è un assemblaggio di molte parti, un "materiale a memoria di forma è un materiale allo stato solido che fa tutto questo. Non ha bisogno di un sistema. Non ha bisogno di molte parti. È solo un materiale, e cambia forma spontaneamente. Può funzionare. Quindi è interessante come "materiale intelligente"", afferma.

I metalli a memoria di forma sono stati a lungo utilizzati come semplici attuatori in una varietà di dispositivi, ma sono limitati dalle temperature di servizio raggiungibili dai metalli utilizzati, solitamente poche centinaia di gradi Celsius al massimo. La ceramica può resistere a temperature molto più elevate, a volte fino a migliaia di gradi, ma è nota per la sua fragilità. Ora, il team del MIT ha trovato un modo per superare questo problema e produrre un materiale ceramico in grado di attivarsi senza accumulare danni, consentendogli così di funzionare in modo affidabile come materiale a memoria di forma attraverso molti cicli di utilizzo.

"I materiali a memoria di forma che sono là fuori nel mondo, sono tutti metallici", afferma Schuh. "Quando si modifica la forma di un materiale a livello atomico, si possono creare moltissimi danni. Gli atomi devono rimescolarsi e cambiare la loro struttura. E poiché gli atomi si muovono e si rimescolano, è abbastanza facile metterli in punti sbagliati e creano difetti e danneggiano il materiale, il che li porta ad affaticarsi e alla fine a cadere a pezzi."

Aggiunge che "ci si ritrova con materiali che possono deformarsi alcune volte, ma poi alla fine si degradano e possono cadere a pezzi. E poiché i metalli sono così duttili, sono un po' più resistenti ai danni, e quindi il campo si è davvero concentrato sui metalli perché quando un metallo è danneggiato all'interno, può tollerarlo."

La ceramica, al contrario, non tollera affatto bene i danni e normalmente non si piega ma si frattura. La zirconio è nota per avere una proprietà di memoria di forma, ma accumula danni molto facilmente durante un ciclo di memoria di forma, una proprietà misurata come alta isteresi. "Ciò che volevamo fare con questo lavoro era progettare una nuova ceramica e mirare specificamente a quell'isteresi. Volevamo progettare una ceramica in cui la trasformazione [della forma] fosse in qualche modo ancora gigantesca: vogliamo fare molto lavoro. Ma internamente, a su scala atomica, è più delicato."

Schuh spiega che Pang, che ha guidato il lavoro, "ha preso tutti i moderni strumenti della scienza, tutto ciò che si può nominare - termodinamica computazionale, fisica delle trasformazioni di fase, calcoli cristallografici, apprendimento automatico - e ha messo insieme tutti questi strumenti in un modo totalmente nuovo " al fine di risolvere il problema della creazione di un tale materiale.