Tres investigadores del Centro Atómico Bariloche y docentes del Instituto Balseiro recibieron una distinción por haber publicado el mejor artículo de una revista científica internacional sobre materiales “con memoria de forma”, así llamados porque pueden transformarse de una forma a otra, y regresar a su estructura original.
*Artículo publicado en EnHoy nº 52
Si bien parecen un invento futurista que sólo existen en las películas de ciencia ficción, las investigaciones sobre materiales inteligentes comenzaron en la Comisión Nacional del Energía Atómica (CNEA) hace más de 40 años. También conocidos como materiales con memoria de forma, éstos pueden sufrir deformaciones, aunque tienen la capacidad de regresar a su estructura original ante la presencia de determinados estímulos.
Recientemente, dos físicos y un ingeniero nuclear que estudian estos novedosos materiales en la División Física de Metales de la CNEA en el Centro Atómico Bariloche (CAB) fueron distinguidos en el congreso “Tecnologías de Memoria de Forma y Superelasticidad” (SMST, por sus siglas en inglés), realizado en mayo en Alemania, por un artículo publicado en una revista referente en esta temática.
En términos generales, su trabajo consiste en desentrañar, comprender y controlar cuáles son los mecanismos a nivel atómico que hacen posible que un material cambie y recupere su forma, haciéndolos muy útiles en múltiples aplicaciones como infraestructura, salud y distintos sectores de la industria.
En el artículo distinguido -publicado en 2018 en la revista “Shape Memory and Superlasticity”- los investigadores de la CNEA Jorge Pelegrina, Alejandro Yawny y Marcos Sade reportaron ciertos hitos de la historia de la ciencia de las aleaciones de cobre con memoria de forma. Además, presentaron novedosos resultados que ayudan a comprender mejor este tipo de fenómenos.
Los Editores Asociados de la revista científica eligieron el trabajo de los investigadores argentinos entre todos los artículos publicados durante el año pasado y le dieron el “Premio al mejor paper de 2018”. El mismo había sido publicado en un número especial dedicado a la trayectoria del Prof. Dr. Ing. Jan Van Humbeeck, un científico belga referente mundial en el campo y además colaborador histórico de los investigadores del CAB.
Una larga y fructífera historia
En la CNEA, la investigación sobre aleaciones con efecto memoria de forma comenzó con la llegada del doctor Manfred Ahlers a la División Física de Metales durante la década del 70. Los primeros trabajos consistieron en desarrollar en los laboratorios del Centro Atómico Bariloche el crecimiento de monocristales de aleaciones base de cobre. Luego la investigación básica en el tema se amplió y extendió incluso a la búsqueda de aplicaciones, algo que se continúa en la actualidad.
Cambios de forma
Además de la historia de ciertas investigaciones realizadas en aleaciones de cobre con memoria de forma, los científicos Pelegrina, Yawny y Sade reportan en su paper la utilización reciente de un modelo computacional y la realización, en sus laboratorios de Bariloche, de varios experimentos para estudiar los efectos de cambios de estímulos, por ejemplo de la temperatura, en esos materiales.
Las “transformaciones martensíticas”, llamadas así en honor al científico Adolf Martens, consisten en cambios de las estructuras de los materiales con memoria de forma. “Estas transformaciones se caracterizan por desplazamientos atómicos coordinados entre sí y de magnitud mucho menor que las distancias que separan a los átomos habitualmente en un sólido”, define el físico Sade.
Esas transformaciones tienen lugar entre dos fases: la fase austenita, cuando el material se encuentra a una mayor temperatura, y la fase martensita, cuando se lo expone a una menor temperatura. Esa transformación también se puede lograr aplicando una fuerza. En otras palabras, un material hecho con una aleación metálica y que se encuentra en una fase o estructura llamada austenita se puede “deformar”, convirtiéndose en otra fase llamada martensita, alterando su forma de modo temporario, para luego retornar a su estructura original, austenita, mediante un simple calentamiento.
“La temperatura a la cual se forma la martensita a partir de la austenita depende de la composición del material y de los tratamientos termomecánicos que haya sufrido. Algo similar ocurre con la temperatura de la transformación inversa, o retransformación, es decir aquella a la cual la martensita transforma a la fase austenita”, describe Sade.
Las transformaciones martensíticas, es decir, el efecto memoria de forma y también de superelasticidad en este tipo de materiales, se producen sin la participación de los fenómenos de difusión. Sin embargo, las investigaciones realizadas en el Centro Atómico Bariloche demostraron que las estructuras que participan de ese tipo de transformaciones y del efecto memoria de forma pueden sufrir de todas maneras los efectos de los fenómenos difusivos. Esto altera las propiedades del material y puede complicar las transformaciones posteriores.
“Acá es donde aparece un desafío que es típico en la ciencia de los materiales: no basta con optimizar las propiedades de los materiales, sino que hay que garantizar que dichas propiedades sean estables, al menos durante la vida útil de cualquier dispositivo que haga uso de ellos. Surge así la importancia de entender y controlar aquellos fenómenos difusivos que tienen lugar en las estructuras entre las cuales tienen lugar las transformaciones martensíticas que controlan al efecto memoria y a la pseudoelasticidad”, explica Sade.
Un ejemplo típico de la lucha por mantener las propiedades de un metal contra potenciales procesos de degradación está dado por la corrosión, menciona el científico. Y cuenta que algunos metales en contacto con el aire y la humedad quieren evolucionar hacia estados que los terminan inutilizando, de ahí que al buscar un desarrollo tecnológico dado, “haya que pensar también durante cuánto tiempo se pretende utilizarlo y qué procesos hay que combatir para que el metal sea útil durante un tiempo considerable”, dice el físico.
Uno de los fenómenos de difusión que más impacta en las aleaciones de cobre con memoria de forma se llama “estabilización de la martensita”. En pocas palabras, ocurre cuando por una especie de acostumbramiento del material a la estructura martensítica, se necesita mayor temperatura para pasar a la fase austenita.
“Las consecuencias de este fenómeno saltan fácilmente a la vista: supongamos que se prepara un dispositivo que se debe activar cuando el material alcance la temperatura de retransformación, digamos 40°C. Si la estabilización actúa y traslada o eleva dicha temperatura por ejemplo a 120°C, no habría forma de diseñar una aplicación confiable. Esta estabilización ha generado un enorme interés y gran cantidad de esfuerzo para entender el fenómeno con la intención de luego controlarlo”, detalla Sade.
En el paper premiado, Pelegrina, Yawny y Sade reportan asimismo los resultados de su investigación en torno a tres efectos de la difusión térmica en las fases austenita y martensita de dos tipos de materiales inteligentes hechos en base a aleaciones de cobre: con zinc y alumnio; o con aluminio y berilio.
Para ello, no sólo usaron un modelo computacional alterando distintas configuraciones del orden atómico sino que también obtuvieron datos a partir de experimentos y observaciones de las estructuras atómicas de estos materiales en el laboratorio. En su investigación, se usaron equipos de ensayos mecánicos a temperaturas controladas aprovechando el hecho de que las transformaciones martensíticas pueden obtenerse aplicando fuerzas mecánicas sobre el material.
Múltiples aplicaciones
De acuerdo con el físico Marcos Sade, estudiar este tipo de materiales es muy interesante debido al trabajo mecánico que se produce cuando un material regresa a su estructura original. “Por dar un ejemplo, se podría calentar un material a una gran distancia mediante el pasaje de una corriente eléctrica. Si dicho calentamiento activa o provoca una transformación, la fuerza realizada podría activar algún mecanismo requerido ya sea para activar una alarma, sustituir a una soldadura, o activar un mecanismo mecánico remoto como desplegar una antena”, cuenta.
Algunas aleaciones con efecto memoria también pueden desplegar el “efecto pseudoelástico o superelástico”, por el cual el material soporta una deformación al aplicarle una fuerza; y al quitar esa fuerza la deformación desaparece. En medicina, por ejemplo, este tipo de materiales son muy valorados, y podrían usarse en los “stents”, que son dispositivos fabricados con aleaciones de níquel y titanio que se usan en cirugías cardiovasculares.
En el artículo publicado por Pelegrina, Yawny y Sade también se destaca cómo el fenómeno de la “difusión atómica” en materiales de estado sólido puede afectar las transformaciones de estos materiales. ¿Qué es la “difusión atómica”? En resumen, se le llama así al movimiento y la ubicación de átomos a distancias mayores que una distancia interatómica que resulta en una reubicación en estructuras más estables. Se utiliza para tratar y optimizar de forma térmica, aleaciones que se usan en las industrias automotriz, aeronáutica, ferroviaria, naviera, que se basan en los metales.
