211service.com
Slim schuim
Onderzoekers hebben een lichtere en mogelijk goedkopere vorm van legering met vormgeheugen gemaakt: materialen die van vorm veranderen als reactie op een magnetisch veld, maar hun oorspronkelijke vorm onthouden. Het nieuwe materiaal, een poreus schuim gemaakt van een nikkel-mangaan-galliumlegering, rekt enigszins uit bij blootstelling aan een magnetisch veld. Het behoudt zijn nieuwe vorm wanneer het veld wordt uitgeschakeld, maar het keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer het veld 90 graden wordt gedraaid.
Traagschuim: Een schuim van nikkel-mangaan-gallium heeft de vormgeheugeneigenschappen van de legering, maar is lichter en goedkoper te maken dan andere vormen van het materiaal.
De meeste legeringen met vormgeheugen worden aangedreven door temperatuurveranderingen. Magnetisch aangedreven legeringen reageren echter sneller dan legeringen die reageren op temperatuur. Een ander belangrijk voordeel van materialen die onder een magnetisch veld van vorm veranderen, is dat ze op afstand geactiveerd kunnen worden, zegt Robert O'Handley , een materiaalwetenschappelijke en technische onderzoeker aan het MIT. Omdat magnetische materialen met vormgeheugen op afstand kunnen worden veranderd, zegt hij dat ze bijzonder veelbelovend zijn voor biomedische toepassingen. Je zou een stent kunnen maken, waar je van buiten het lichaam een magnetisch veld op aanbrengt en geleidelijk een slagader opent, zegt hij.
Maar magnetische legeringen met vormgeheugen waren moeilijk en duur om te maken. De nieuwe legering zou goedkoper en gemakkelijker te synthetiseren kunnen zijn.
En het kan handig zijn in apparaten die zeer nauwkeurige, herhaalbare en snelle positionering nodig hebben, zegt David Dunand , een professor materiaalwetenschap en techniek aan de Northwestern University. Dunand leidde het werk aan de nieuwe legering met Peter Müllner , een universitair hoofddocent aan de Boise State University. Deze apparaten omvatten microscopen, kleine spiegels die worden gebruikt in optische communicatie en robots die worden gebruikt in de geneeskunde. Omdat het schuim licht is, kan het leiden tot ruimtevaarttoepassingen, zoals vliegtuigvleugels die veranderen om aerodynamischer te worden.
De legering die Dunand en zijn collega's gebruikten is niet nieuw. Van enkele kristallen van nikkel-mangaan-gallium is bekend dat ze 10 procent uitrekken bij blootstelling aan een magnetisch veld. Maar eenkristallen, waarin alle atomen in een regelmatig, zich herhalend patroon zijn verpakt, zijn duur en tijdrovend om te maken.
Normaal gesproken is het probleem dat in polykristallijne metalen de afzonderlijke kristallen willekeurige oriëntaties hebben. In de aanwezigheid van een magnetisch veld strekken ze zich uit in verschillende richtingen, duwen ze tegen elkaar en heffen ze elkaars beweging op, zegt Dunand. De droom is om een polykristal te maken, maar op de een of andere manier ruimte te geven aan [de individuele kristallen] zodat ze kunnen bewegen en elkaars bewegingen niet opheffen. Dit is precies wat er in het schuim gebeurt vanwege de poriën. De kleine kristallen in de legering krijgen ruimte om uit te rekken en het schuim verandert van vorm. De verandering is op dit moment klein - slechts 0,12 procent - maar het is een begin, zegt Dunand.
Het maken van het schuim is goedkoop en gemakkelijk. De onderzoekers gieten gesmolten legering in een poreus stuk natriumaluminaatzout. Nadat de legering is afgekoeld, lossen de onderzoekers het zout op met zuur, waardoor een sponsachtige structuur van de legering achterblijft. Het schuim is een veelbelovende voorbereidingsroute - aanzienlijk efficiënter in vergelijking met de groei van eenkristallen, zegt Sebastian Fahler , die legeringen met vormgeheugen bestudeert aan het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, in Dresden, Duitsland. Maar de vormverandering zal veel hoger moeten zijn dan 0,12 procent om praktische toepassingen te hebben, zegt hij.
Dunand en zijn collega's hebben een plan om de vormverandering van het schuim te vergroten. Net als een spons heeft het schuim stutten die op knooppunten zijn verbonden, legt hij uit. Elke stut bevat nu meerdere kleine kristallen. Deze kristallen heffen elkaars beweging tot op zekere hoogte nog steeds op, daarom is de totale verandering in het schuim slechts 0,12 procent.
Om een grotere vormverandering te krijgen, zegt Dunand, is het de kunst om elke stut zich als een enkel kristal te laten gedragen, zodat het schuim in het algemeen meer als een enkel kristal zal zijn. Dat betekent dat de onderzoekers afzonderlijke kristallen zouden moeten maken die elk van de stutten in het schuim overspannen.
Het materiaal zal nog steeds te maken krijgen met concurrentie. Nikkel-titanium legeringen met vormgeheugen, die geschikt zijn voor gebruik in het lichaam en worden aangedreven door temperatuur, worden al gebruikt om stents te maken.
Voor micropositioneringstoepassingen, zegt O'Handley, zal het materiaal moeten concurreren met piëzo-elektrische materialen zoals kwarts en loodtitanaat, die vervormen als reactie op elektrische stroom. Maar omdat het proces om het schuim te maken gemakkelijk en goedkoop is, zegt hij dat het nikkel-mangaan-gallium dichter bij de kostenconcurrentie brengt met piëzo-elektrische materialen.