Как сообщается в журнале Nature, учёные из Университета Миннесоты нашли новый вид кристаллических металлов с памятью формы.
Этот вид является прототипом нового семейства «умных» материалов, которые могут использоваться в различных приложениях: как в космических аппаратах, так и в электронике и в реактивных двигателях.
Названный «мартенситом», материал имеет два различных механизма упорядочения атомов в кристаллы, между которыми легко переключается.
При нагреве и охлаждении он может изменить форму десятки тысяч раз безо всякого ухудшения свойств, в отличие от существующих технологий.
В настоящее время мартенситы металлов создаются из легированной смеси никеля и титана.
Они имеют замечательную способность «запоминать» свою форму и даже после изгиба возвращаются к своему исходному состоянию.
Эти материалы могут быть использованы не только в оправах очков и в «косточках» бюстгальтеров, но и в хирургии, в качестве основы для заживления костей, и как «стенты» для улучшения проходимости артерий сердца.
Мартенситы металлов изменяют форму при нагревании или охлаждении при прохождении через определённую точку температуры, когда атомы, составляющие их структуры, внезапно перестраиваются в другое кристаллическое состояние.
Некоторые называют это «военным перестроением», потому что ряды атомов, составляющих кристаллы металла, разом, как по команде, выстраиваются в новом порядке.
Такое преобразование означает, что мартенсит может быть использован в интеллектуальных механизмах, которые реагируют на изменение температуры.
В качестве примеров можно упомянуть автоматически открывающиеся окна в теплицах, способ автоматической наводки солнечных батарей космического телескопа Хаббл на Солнце, и — совсем свежий пример — в Boeing 787 Dreamliner этот эффект применён для изменения формы задней кромки капота двигателя, что делает его более тихим при работе на взлете.
Существенным недостатком современных мартенситов является то, что после неоднократных изменений формы в них появляются внутренние напряжения, ухудшающие их механические свойства, которые могут, в конечном счёте, разорвать их на части. Новый сплав, изготовленный на основе цинка, золота и меди, выносит изменения формы туда и обратно почти до бесконечности с небольшими внутренними повреждениями, открывая новые области применения для этих типов «активных материалов».
Сейчас целью является применение качеств, присущих новому сплаву, для создания семьи керамических твёрдых веществ с коммутацией формы.
«Вполне реально сделать преобразования формы обратимыми, что может быть использовано во многих ситуациях» — объясняет профессор Ричард Джеймс (Richard James), один из авторов исследования.
«Можно сделать устройства, преобразующие тепло в электричество напрямую. Они могли бы использовать отработанное тепло от компьютеров и сотовых телефонов для зарядки их аккумуляторов и, тем самым, сделать их более эффективными».
В качестве иллюстрации под микроскопом можно видеть на поверхности металла постоянно меняющиеся узоры, напоминающие микроскопические реки.
Структуры взаимодействуют друг с другом безо всякого напряжения между слоями, и в этом, возможно, ключ к их долговечности и в нем же потенциал использования.
Новые материалы также могут быть использованы для более эффективной работы электромеханических систем – собирая энергию небольших колебаний устройств, а затем преобразуя её в силу воздействия.
Такого рода вещи уже используются для контроля давления в шинах системой мониторинга автомобиля и для питания электроники в датчиках.