Наука 2021-02-06 10:07 Олег Фея

Серце, космос і фокуси

Що таке матеріали з пам’яттю форми та де їх використовують

2017 року інженери NASA представили нове покоління коліс для марсіанських апаратів, виготовлених із нітинолу — матеріалу з ефектом пам’яті форми (ЕПФ). За їхніми словами, колеса роверів є слабким місцем, адже вони сильно зношуються на складному марсіанському рельєфі, і замінити їх немає можливості. Натомість нові колеса гнучко пристосовуються до рельєфу та потім повертаються до попередньої форми завдяки пропусканню електричного струму, і при цьому вони легші за сучасні колеса зі сплавів алюмінію. Раніше матеріали з ЕПФ використовували для розгортання сонячних батарей на космічних апаратах або для виготовлення рук-маніпуляторів, як-от на марсоході Pathfinder. Ефект, відкритий і пояснений у Києві 70 років тому, наразі використовують у медицині, для конструювання крил літаків або аеродвигунів, роботів-трансформерів, а американська аерокосмічна компанія bluShift Aerospace планує побудувати багаторазову ракету цілком із нітинолу.


На початку 1930-х молодий радянський вчений Георгій Курдюмов (1902–1996) досліджував, чому сталь після загартовування стає такою міцною. У 1929-му йому пощастило опинитися серед двох сотень радянських науковців, яким дозволили поїхати за кордон на стажування. Працюючи в Берліні в групі металофізика Георга Закса, Курдюмов здогадався, як використати його метод вирощування монокристалів для отримання аустеніту — високотемпературної фази сталі. Після охолодження вирощена таким чином сталь перейшла в іншу фазу — мартенсит. Така форма металу дуже міцна і була відома давно як результат саме загартовування. Курдюмов дійшов висновку, що процес, який він згодом назвав мартенситним перетворенням, відбувається не завдяки дифузії, тобто повільному хаотичному переміщенню атомів, а через швидкий зсув цілих атомних шарів.
З 1932 року Курдюмов працював завідувачем лабораторії в Дніпропетровському фізико-технічному інституті, а 1945-го очолив створену в Києві Лабораторію металофізики, яку згодом реорганізували в інститут, наразі названий на його честь. Саме там учений написав свої найважливіші наукові статті.

 

 

«Все почалося з Георгія В’ячеславовича Курдюмова та Льва Григоровича Хандроса у 1948 році. Коли Курдюмов досліджував мартенсит у сталях, то дійшов висновку, що він утворюється саме завдяки бездифузійному процесу — тобто зміщення атомів одночасне, дуже швидке і на невеликі відстані порівняно з міжатомними, — коментує член-кореспондент НАНУ, голова відділу фазових перетворень Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова Юрій Коваль. — Курдюмов сформулював правило, за яким має бути і зворотне перетворення, тобто з мартенситу в аустеніт. До цього таке явище вже спостерігали в сплавах міді та олова: воно цікаве саме по собі, бо звичайні фазові перетворення, як-от випаровування чи плавка, незворотні. Потім Курдюмов доручив Льву Хандросу, моєму вчителю, провести експеримент, який і підтвердив його здогадки».

Ефект, відкритий і пояснений у Києві 70 років тому, наразі використовують у медицині, для конструювання крил літаків або аеродвигунів, роботів- трансформерів, а американська аерокосмічна компанія bluShift Aerospace планує побудувати багаторазову ракету цілком із нітінолу


Матеріалам із ЕПФ надають певної форми в високотемпературній фазі — аустеніті. Після охолодження в металі відбувається структурна зміна, атоми переходять в інші положення. В такій фазі — мартенситі — його можна деформувати, згинати, закручувати, проте після нагріву — часто невеликого, до 30–40оС, — матеріал майже одразу повертається в первинну форму (див. «Схема мартенситних перетворень»). Цим користуються фокусники, коли згинають ложку чи виделку, зроблену з такого металу, після чого беруть її до рук, і річ «магічним» чином випрямляється.
Курдюмов та Хандрос запропонували матеріал із міді та алюмінію, що мав властивість пам’яті форми. Ще раніше, у 1932 році, шведський хімік Арне Оландер спостерігав це явище в сплаві золота та кадмію, проте не знав його фізичної суті. Першим же промисловим матеріалом, із дослідження якого і походить назва «ефект пам’яті форми», став нітинол — сплав нікелю та титану в майже однаковій концентрації. В самій назві «нітинол» (від Nikel Titanium Naval Ordance Laboratory) зашифровані його склад і місце створення — назва американської військової лабораторії, де Вільям Бюлер та Фредерік Ванґ уперше дослідили цей сплав у 1963 році. Ці вчені шукали стійкий до нагріву та пружний матеріал, з якого можна було б виготовляти конуси ракет для космічної програми NASA. На одну з нарад вони принесли зігнутий у формі змійки тестовий зразок нітинолу, який один із учасників наради нагрів запальничкою, після чого метал випрямився. Після такої ефектної демонстрації нового явища американці знайшли пояснення фізичної суті саме у роботах Курдюмова та Хандроса.


«Причина, через яку стримується промислове використання матеріалів з пам’яттю форми, — деградація явища, — пояснює професор Коваль. — Мартенситна деформація супроводжується утворенням дислокацій та інших дефектів, які накопичуються. І за кілька десятків циклів «мартенсит-аустеніт-мартенсит» матеріал уже не повернеться саме до потрібної форми. Якось на виставці в Ганновері демонстрували пружини, що підіймали доволі великий вантаж після нагріву. Десь за п’ять годин я помітив, що пружинки вже провисають. Скажімо, при максимальній деформації у 5–10% матеріал зробить кілька десятків циклів, при меншій — можливо, тисячі, проте це явище все одно обмежене. Наразі таких сплавів дуже багато, проте найпоширеніші все одно нітинол та мідь-алюміній з іншими хімічними елементами, які запропонували ще Курдюмов і Хандрос».
Утім, матеріали з ЕПФ стали в пригоді там, де достатньо й одного циклу зворотного мартенситного перетворення. За словами Юрія Коваля, найефективніше використовувати їх у медицині. «Разом із колегами з Центру дитячої кардіології та кардіохірургії ми займаємося розробкою каркасу штучного аортального серцевого клапану для лікування стенозу аортального клапану. Раніше операції робили на «сухому» серці зі штучним кровообігом — вони складні, небезпечні, і є ризик, що серце не вдасться потім запустити. Зараз провідні клініки здійснюють такі операції методом транскатетерної імплантації, що скорочує час післяопераційного відновлення до 1–2 діб. Найчастіше каркас клапану виготовляють із медичної сталі. Але клапани з функціональних матеріалів можуть і тут зменшити кількість етапів операції. Клапан згинають у холодному сольовому розчині і задають йому форму трубки діаметром 5 мм, щоб її можна було ввести в працююче серце людини через стегнову чи підключичну артерію. І вже в серці, нагрівшись, він сам розгинається у необхідну форму, займаючи місце зношеного клапана. Подіб­ними методами лікують і аневризми судин — страшне захворювання. Це стоншення стінки судини, внаслідок чого її ділянка збільшується в діаметрі і може розірватися. Такі операції рятують багато життів».

 

Читайте також: Die Welt: Професії майбутнього


Ще одне поле для широкого застосування цих матеріалів походить із явища надпружності, яке спостерігають у нітинолі та інших матеріалах із ЕПФ. Більшість твердих тіл після розтягування вище за певну познач­ку руйнуються, проте надпружні здатні навіть після цього повертатися в первинну форму. Цією властивістю озброїлися ортодонти: дузі з нітинолу надають бажаної форми зубів, після чого вона повільно стягує їх, вирівнюючи. Перевага таких брекетів над виробами з інших матеріалів у тому, що таку дугу не треба періодично підкручувати, аби збільшувати тиск, і вона постійно й рівномірно розтягує зуби.

Журнал Global Market Insights прогнозує, що до 2025 року світовий ринок нітинолу та сплавів на основі міді збільшиться вдвічі — до $20 млрд, тому, ймовірно, ці сплави знайдуть своє місце і в нових сферах життя


За словами Сергія Кедровського, співробітника Інституту металофізики, який досліджує медичне застосування ЕПФ, проблеми можуть виникнути через алергічну реакцію деяких людей на нітинол. «Нікель — це алерген. Проте нітинол — інтерметалід, у якому нікель перебуває в хімічному зв’язку з титаном. Частково через це, а частково через наявність титанової оксидної плівки на поверхні матеріалу між тілом людини та матеріалом імпланту утворюється бар’єр, що захищає організм від проникнення нікелю. В одній із важливих робіт нашого відділу доведено, що така киснева плівка надійно захищає людину. Проте в рідкісних випадках виникає алергія на сам нітінол. Тому зараз шукають інші варіанти функціональних матеріалів, наприклад, сплав титану та ніобію, елементи якого є біосумісними від природи. Є також перспектива отримати сплави, пружність яких співмірна з пружністю кісток, — зношування цих органів у разі поставлених імплантів з ЕПФ значно знижується».

 


2015 року група дослідників із Університету Кілю в Німеччині та Університету Меріленду в США опублікувала в журналі Science статтю, в якій показала сплав нітинолу з міддю, що може витримувати щонайменше 10 мільйонів циклів мартенситних перетворень, майже не накопичуючи дефекти. Такі матеріали можуть стати в пригоді для конструювання довговічних актуаторів, у тому числі для керування космічними пристроями. Або ж для роботів-оригамі — популярної в останні роки сфери застосування ЕПФ. Одним з перших конструкцію таких роботів запропонував 2010 року Елліот Хоукс, професор інженерії Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі. Робот Хоукса має вигляд пластини, що складається з великої кількості елементів, поєднаних перемичками-актуаторами з матеріалів із пам’яттю форми. Джерелом натхнення в конструюванні цих роботів стало японське мистецтво складання паперу, в якому завдяки обмеженому набору геометричних форм можна досягти велетенського різноманіття фігур. Під дією електричних струмів перемички змінюють форму, тягнучи за собою елементи робота і трансформуючи його залежно від необхідної функції.

 

Читайте також: Чатбот vs терапевт


Професорка Федеральної політехнічної школи Лозанни і засновниця Reconfigurable Robotics Lab Джеймі Пайк та її команда створили серію роботів-оригамі, здатних передавати, приміром, серцебиття з комп’ютерного зображення серця на руку людини, що користується роботом. Це частина «м’якої» робототехніки — концепту, в якому роботи мають рухатися або пристосовуватися до навколишнього середовища так само, як це роблять живі організми.


Наразі завдяки появі нових функціональних матеріалів їх використання у всьому світі розширюється. Журнал Global Market Insights прогнозує, що до 2025 року світовий ринок нітинолу та сплавів на основі міді збільшиться вдвічі — до $20 млрд, тому, ймовірно, ці сплави знайдуть своє місце і в нових сферах життя.