Smart skum

Forskare har gjort en lättare och potentiellt billigare form av formminneslegering: material som ändrar form som svar på ett magnetfält men kommer ihåg sin ursprungliga form. Det nya materialet, ett poröst skum tillverkat av en nickel-mangan-galliumlegering, sträcker sig något när det utsätts för ett magnetfält. Den behåller sin nya form när fältet stängs av, men det går tillbaka till sin ursprungliga form när fältet roteras 90 grader.

Memory skum: Ett skum av nickel-mangan-gallium har legeringens formminnesegenskaper men är lättare och billigare att tillverka än andra former av materialet.

De flesta formminneslegeringar drivs av temperaturförändringar. Magnetiskt drivna legeringar reagerar dock snabbare än de som reagerar på temperatur. En annan viktig fördel med material som ändrar form under ett magnetfält är att de kan aktiveras på avstånd, säger man Robert O'Handley , en materialvetenskap och ingenjörsforskare vid MIT. Eftersom magnetiska formminnesmaterial kan ändras på distans, säger han att de är särskilt lovande för biomedicinska tillämpningar. Man skulle kunna göra en stent, där man applicerar ett magnetfält på den utifrån kroppen och gradvis öppnar upp en artär, säger han.

Men magnetiska formminneslegeringar har varit svåra och dyra att tillverka. Den nya legeringen kan vara billigare och lättare att syntetisera.

Och det kan vara användbart i enheter som behöver mycket exakt, repeterbar och snabb positionering, säger David Dunand , en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid Northwestern University. Dunand ledde arbetet med den nya legeringen med Peter Mullner , en docent vid Boise State University. Dessa enheter inkluderar mikroskop, små speglar som används i optisk kommunikation och robotar som används inom medicin. Eftersom skummet är lätt kan det leda till flygtillämpningar, såsom flygplansvingar som förändras till att bli mer aerodynamiska.

Legeringen som Dunand och hans kollegor använde är inte ny. Enkelkristaller av nickel-mangan-gallium är kända för att sträcka sig med 10 procent när de utsätts för ett magnetfält. Men enkristaller, där alla atomer är packade i ett regelbundet, upprepande mönster, är dyra och tidskrävande att tillverka.

Normalt är problemet att i polykristallina metaller har de enskilda kristallerna slumpmässiga orienteringar. I närvaro av ett magnetfält sträcker de sig längs olika riktningar, trycker mot varandra och avbryter varandras rörelser, säger Dunand. Drömmen är att göra en polykristall men på något sätt ge utrymme åt [de enskilda kristallerna] så att de kan röra sig och inte avbryta varandras rörelser. Det är precis vad som händer i skummet på grund av porerna. De små kristallerna i legeringen får utrymme att sträcka sig och skummet ändrar form. Förändringen är liten just nu – bara 0,12 procent – ​​men det är en början, säger Dunand.

Att göra skummet är billigt och enkelt. Forskarna häller smält legering i en porös bit av natriumaluminatsalt. Efter att legeringen har svalnat löser forskarna upp saltet med syra och lämnar efter sig en svampliknande struktur av legeringen. Skummet är en ganska lovande beredningsväg – betydligt effektivare jämfört med tillväxten av enkristaller, säger Sebastian Fahler , som studerar formminneslegeringar vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, i Dresden, Tyskland. Men formförändringen kommer att behöva vara mycket högre än 0,12 procent för att ha praktiska tillämpningar, säger han.

Dunand och hans kollegor har en plan för att öka skummets formförändring. Precis som en svamp har skummet strävor kopplade vid noder, förklarar han. Varje stag just nu innehåller flera små kristaller. Dessa kristaller upphäver fortfarande varandras rörelser till viss del, varför den totala förändringen i skummet bara är 0,12 procent.

För att få en större formförändring, säger Dunand, blir tricket att få varje stag att bete sig som en enkristall, så att skummet på det hela taget blir mer som en enkristall. Det betyder att forskarna måste få individuella kristaller att spänna över var och en av stöttorna i skummet.

Materialet kommer fortfarande att möta konkurrens. Nickel-titan-formminne-legeringar, som är lämpliga för användning inuti kroppen och drivs av temperatur, används redan för att tillverka stentar.

För mikropositioneringstillämpningar, säger O'Handley, måste materialet konkurrera med piezoelektriska material som kvarts och blytitanat, som deformeras som svar på elektrisk ström. Men eftersom processen för att göra skummet är enkel och billig, säger han att den för nickel-mangan-gallium närmare att vara kostnadskonkurrenskraftig med piezoelektriska material.

Dölj