Gli ingegneri sviluppano una nuova forma

Oct 06, 2023

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

La scoperta di una nuova categoria di materiali a memoria di forma – la ceramica anziché il 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.

I materiali a memoria di forma 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.

"Sono materiali interessanti perché sono una sorta di pistone allo stato solido", ha affermato il professor Christopher Schuh, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. In altre parole, sono un dispositivo che può spingere contro qualcosa.

Tuttavia, 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"", ha aggiunto.

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, di solito poche centinaia di gradi C al massimo.

La ceramica può resistere a temperature molto più elevate, a volte fino a migliaia di gradi, rispetto ai metalli a memoria di forma, ma è fragile. Un team del MIT ha trovato il modo di 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", ha detto 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, che li porta ad affaticarsi e alla fine a cadere a pezzi.

"Ci ritroviamo 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", ha aggiunto Schuh.

L'obiettivo del team era progettare una nuova ceramica e mirare specificamente a tale isteresi. "Volevamo progettare una ceramica in cui la trasformazione [della forma] fosse in qualche modo ancora gigantesca: vogliamo fare molto lavoro. Ma internamente, su scala atomica, è più delicata", ha detto.

Schuh ha spiegato che il team "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" per risolvere questo problema. .

Il risultato è stato una nuova variante della zirconia, ma alcuni atomi di elementi diversi sono stati introdotti nella sua struttura in un modo che ne altera alcune proprietà. Gli elementi "si dissolvono nel reticolo e lo scolpiscono e cambiano quella trasformazione, la rendono più delicata su scala atomica".

L’isteresi è cambiata in modo così drammatico che ora assomiglia a quella dei metalli, ha detto Schuh. E la deformazione che il materiale può raggiungere ammonta a circa il 10%.

Gli attuatori che dirigono il flusso d'aria all'interno di un motore a reazione potrebbero essere un'applicazione utile, ha osservato il team. Sebbene l’ambiente generale sia caldo, ci sono vari canali di flusso d’aria controllati, quindi tali flussi potrebbero essere utilizzati per attivare una ceramica a memoria di forma.

Il team intende continuare a esplorare il materiale, trovare modi per produrlo in lotti più grandi e forme più complesse e testare la sua capacità di resistere a più cicli di trasformazione.

Per ulteriori informazioni, contattare Abby Abazorius all'indirizzo Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.; 617-253-2709.