La cerámica se suma a los materiales con memoria de forma
Científicos del MIT han creado materiales con memoria de forma a base de cerámica, usables para actuadores eficientes para aeronaves u otros usos a temperaturas más elevadas que los de metal.
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.
Los autores del estudio, el exestudiante de doctorado Edward Pang y los profesores Gregory Olson y Christopher Schuh, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, explican que los materiales con memoria de forma tienen dos formas distintas y pueden alternar entre ellas. Se pueden activar fácilmente mediante la temperatura, la tensión mecánica o los campos eléctricos o magnéticos, para que cambien de forma y ejerzan fuerza, añaden.
"Son materiales interesantes porque son una especie de pistón de estado sólido", señala Schu, es decir, un dispositivo que puede empujar contra algo. Pero mientras un pistón es un conjunto de muchas piezas, un "material con memoria de forma es un material de estado sólido que hace todo eso. No necesita un sistema. No necesita muchas piezas. Es sólo un material que cambia de forma espontáneamente. Puede hacer el trabajo. Por eso es interesante como "material inteligente"", destaca en un comunicado.
Los metales con memoria de forma se han utilizado durante mucho tiempo como simples actuadores en diversos dispositivos, pero están limitados por las temperaturas de servicio alcanzables de los metales utilizados, que suelen ser de unos pocos cientos de grados centígrados como máximo.
La cerámica puede soportar temperaturas mucho más altas, a veces de miles de grados, pero es conocida por su fragilidad. Ahora, el equipo del MIT ha encontrado una forma de superar esto y producir un material cerámico que puede actuar sin acumular daños, lo que hace posible que funcione de forma fiable como material con memoria de forma durante muchos ciclos de uso.
"Los materiales con memoria de forma que existen en el mundo son todos metálicos --prosigue Schuh--. Cuando se cambia la forma de un material a nivel atómico, se pueden producir muchos daños. Los átomos tienen que reorganizarse y cambiar su estructura. Y como los átomos se mueven y se reorganizan, es fácil que se coloquen en los lugares equivocados y creen defectos y dañen el material, lo que hace que se fatigue y acabe por desmoronarse".
Añade que "al final se obtienen materiales que pueden deformarse unas cuantas veces, pero al final se degradan y se deshacen. Y como los metales son tan dúctiles, son un poco más resistentes a los daños, y por eso el campo se ha centrado realmente en los metales, porque cuando un metal se daña por dentro, puede tolerarlo".
Las cerámicas, en cambio, no toleran bien los daños y normalmente no se doblan, sino que se fracturan. El óxido de circonio es uno de los conocidos por su propiedad de memoria de forma, pero acumula daños muy fácilmente durante un ciclo de memoria de forma, una propiedad que se mide como alta histéresis. "Lo que queríamos hacer con este trabajo era diseñar una nueva cerámica y apuntar específicamente a esa histéresis --recuerda--. Queríamos diseñar una cerámica en la que la transformación [de la forma] siguiera siendo de alguna manera gigantesca: Queremos hacer mucho trabajo. Pero internamente, a escala atómica, es más suave".
Schuh explica que Pang, que dirigió el trabajo, "tomó todas las herramientas modernas de la ciencia, todo lo que se pueda nombrar -termodinámica computacional, física de la transformación de fases, cálculos cristalográficos, aprendizaje automático- y juntó todas estas herramientas de una forma totalmente nueva" para resolver el problema de crear un material de este tipo.
El resultado fue una nueva variación de la zirconia. "Básicamente, es circonio --explica Schuh--. Tiene el mismo aspecto, olor y sabor que la circonia que la gente ya conoce y utiliza, incluso como la circonia cúbica en joyería". Pero se han introducido en su estructura algunos átomos de elementos diferentes de forma que se alteran algunas de sus propiedades. Estos elementos "se disuelven en la red, y la esculpen, y cambian esa transformación, la hacen más suave a escala atómica".
La histéresis cambió tan drásticamente que ahora se asemeja a la de los metales, dice Schuh. "Fue un cambio enorme, enorme: estamos hablando de un factor de 10". Y la deformación que puede alcanzar el material asciende a cerca de un 10 por ciento, lo que significa que una varilla de este material podría alargarse un 10 por ciento cuando se dispara, lo suficiente para realizar un trabajo significativo.
Una aplicación habitual de los materiales con memoria de forma son las válvulas de alivio, en las que si un depósito de algo supera una determinada temperatura crítica, la válvula se activa por ese calor, abriéndose automáticamente para aliviar la presión y evitar la explosión. El nuevo material cerámico podría ampliar esa capacidad a situaciones de temperatura mucho más elevadas que las que pueden soportar 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. Aunque el entorno general es caliente, hay varios canales de flujo de aire que se controlan, por lo que esos flujos podrían utilizarse para activar una cerámica con memoria de forma dirigiendo el aire más frío o más caliente hacia el dispositivo según sea necesario.
En la actualidad, las cerámicas con memoria de forma que existen "son una especie de curiosidad de laboratorio", porque se deshacen tras unos pocos ciclos, dice Schuh. "Esto es un paso en la dirección de hacer algo que pueda funcionar de forma reproducible y fiable muchas, muchas veces en servicio", añade.
El equipo tiene previsto seguir explorando el material, encontrando formas de producirlo en lotes más grandes y formas más complejas, y probando su capacidad de soportar muchos ciclos de transformación.
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