Pametni materijali: Memorija oblika i samoiscjeljivanje - globalna perspektiva

Pametni materijali, poznati i kao inteligentni ili responzivni materijali, dizajnirani su da reagiraju na vanjske podražaje, mijenjajući svoja svojstva ili funkcije na predvidljiv način. Ti podražaji mogu uključivati temperaturu, svjetlost, tlak, električna ili magnetska polja te kemijska okruženja. Ta prilagodljivost čini ih nevjerojatno svestranima, s primjenama koje obuhvaćaju različite industrije diljem svijeta. Ovaj blog post će se baviti dvjema istaknutim vrstama pametnih materijala: materijalima s memorijom oblika i samoiscjeljujućim materijalima.

Što su materijali s memorijom oblika?

Materijali s memorijom oblika (SMM) su materijali koji mogu "pamtiti" svoj izvorni oblik i vratiti se u njega kada su podvrgnuti određenom podražaju, obično temperaturi. Ovo izvanredno svojstvo proizlazi iz fazne transformacije unutar kristalne strukture materijala.

Vrste materijala s memorijom oblika

• Legure s memorijom oblika (SMA): To su metalne legure, najčešće legure nikal-titanija (NiTi), poznate i kao Nitinol. SMA legure pokazuju i efekt memorije oblika (SME) i superelastičnost.
• Polimeri s memorijom oblika (SMP): To su polimerni materijali koji pokazuju slično ponašanje memorije oblika. SMP su općenito lakši, jeftiniji i lakši za obradu od SMA, ali obično imaju niže sile oporavka.

Efekt memorije oblika

Efekt memorije oblika temelji se na faznoj transformaciji u čvrstom stanju između dviju kristalnih struktura: martenzita (niska temperatura) i austenita (visoka temperatura). Kada je SMA ili SMP u svojoj martenzitnoj fazi, može se lako deformirati. Međutim, kada se zagrije iznad temperature transformacije, vraća se u svoju austenitnu fazu, oporavljajući svoj izvorni, unaprijed programirani oblik.

Zamislite savijanje spajalice izrađene od Nitinola. Ostat će savijena na sobnoj temperaturi. Ako sada zagrijete spajalicu sušilom za kosu, čarobno će se vratiti u svoj izvorni ravni oblik. To je efekt memorije oblika na djelu.

Superelastičnost

Neke SMA legure, osobito na temperaturama malo iznad njihove temperature transformacije, pokazuju superelastičnost (poznatu i kao pseudoelastičnost). U tom stanju, materijal može podnijeti značajnu deformaciju (do 8% za NiTi) i spontano se vratiti u svoj izvorni oblik nakon uklanjanja primijenjenog naprezanja. To se razlikuje od efekta memorije oblika, koji zahtijeva promjenu temperature.

Primjene materijala s memorijom oblika

SMA i SMP materijali pronašli su širok raspon primjena u raznim industrijama diljem svijeta:

Medicinske primjene

• Stentovi: Samošireći stentovi izrađeni od Nitinola koriste se za otvaranje začepljenih arterija i drugih krvnih žila. Ti su stentovi komprimirani u mali promjer za umetanje, a zatim se šire u svoj unaprijed postavljeni oblik unutar tijela, pružajući potporu i obnavljajući protok krvi. Tvrtke diljem svijeta, uključujući one u SAD-u, Europi i Aziji, proizvode i distribuiraju ove spasonosne uređaje.
• Ortodontske žice: SMA žice koriste se u aparatićima za zube kako bi primijenile stalnu silu na zube, postupno ih ispravljajući. Ove žice pružaju dosljedniji i ugodniji tretman u usporedbi s tradicionalnim žicama od nehrđajućeg čelika.
• Kirurški alati: SMA se koriste u kirurškim instrumentima za minimalno invazivne postupke, omogućujući preciznu i kontroliranu manipulaciju unutar tijela.
• Medicinski implantati: SMA se istražuju za fiksaciju kostiju i druge implantabilne uređaje.

Primjene u zrakoplovstvu i svemirskoj industriji

• Prilagodljiva krila: SMA se mogu koristiti za stvaranje prilagodljivih krila koja mijenjaju svoj oblik tijekom leta kako bi se optimizirale performanse i učinkovitost goriva. Boeing, Airbus i druge zrakoplovne tvrtke aktivno istražuju i razvijaju ovu tehnologiju.
• Strukture koje se mogu razviti: SMA se mogu koristiti za razvijanje struktura u svemiru, kao što su solarni paneli i antene. Kompaktna, sklopljena struktura može se razviti po dolasku na željeno mjesto pokretanjem efekta memorije oblika.
• Prigušivanje vibracija: SMA se mogu ugraditi u strukture zrakoplova kako bi prigušile vibracije i smanjile buku.

Primjene u automobilskoj industriji

• Aktivni sustavi ovjesa: SMA se mogu koristiti u aktivnim sustavima ovjesa za poboljšanje udobnosti vožnje i upravljivosti.
• Ventili motora: SMA se mogu koristiti za kontrolu ventila motora, poboljšavajući performanse motora i učinkovitost goriva.
• Ventili za kontrolu temperature: SMA se koriste u rashladnim sustavima za regulaciju protoka rashladne tekućine na temelju temperature.

Potrošačka elektronika

• Okviri za naočale: SMA okviri su izuzetno fleksibilni i mogu se vratiti u svoj izvorni oblik čak i nakon savijanja ili uvijanja.
• Antene za mobitele: SMA se mogu koristiti za izradu uvlačivih antena koje se automatski izvlače po potrebi.

Robotika

• Aktuatori: SMA se mogu koristiti kao aktuatori u robotima, pružajući precizno i kontrolirano kretanje. Njihova mala veličina i visok omjer snage i težine čine ih prikladnima za minijaturizirane robotske sustave.
• Meka robotika: SMP su posebno korisni u mekoj robotici, gdje su potrebne fleksibilne i deformabilne strukture.

Što su samoiscjeljujući materijali?

Samoiscjeljujući materijali su klasa pametnih materijala koji imaju sposobnost autonomnog popravljanja oštećenja, kao što su pukotine ili ogrebotine, čime se produžuje njihov životni vijek i poboljšava njihova pouzdanost. Ova sposobnost samopopravka oponaša prirodne procese zacjeljivanja koji se nalaze u živim organizmima.

Vrste mehanizama samoiscjeljivanja

Samoiscjeljujući materijali koriste različite mehanizme za postizanje samopopravka:

• Iscjeljivanje temeljeno na kapsulama: Ovaj pristup uključuje ugradnju mikrokapsula koje sadrže sredstvo za iscjeljivanje unutar materijala. Kada se pukotina širi i probije kapsule, sredstvo za iscjeljivanje se oslobađa i ispunjava pukotinu, stvrdnjavajući se i popravljajući oštećenje.
• Vaskularne mreže: Slično krvnim žilama u ljudskom tijelu, vaskularne mreže mogu se ugraditi u materijale za transport sredstava za iscjeljivanje do mjesta oštećenja.
• Intrinzično iscjeljivanje: Ovaj pristup se oslanja na urođenu sposobnost materijala da se sam popravi putem reverzibilnih kemijskih veza ili molekularnog zapetljavanja. Kada dođe do oštećenja, te se veze prekidaju, ali se mogu spontano ponovno formirati, zatvarajući pukotinu.
• Reverzibilne polimerne mreže: Ovi materijali sadrže reverzibilne kemijske veze koje se mogu prekinuti i ponovno formirati pod stresom, omogućujući materijalu da se prilagodi oštećenju i zacijeli s vremenom.
• Bio-inspirirano iscjeljivanje: Istraživači crpe inspiraciju iz bioloških sustava, kao što su sposobnosti samoiscjeljivanja biljaka i životinja, kako bi razvili nove samoiscjeljujuće materijale.

Primjene samoiscjeljujućih materijala

Samoiscjeljujući materijali imaju potencijal revolucionirati različite industrije poboljšanjem trajnosti, sigurnosti i održivosti proizvoda:

Premazi i boje

• Automobilski premazi: Samoiscjeljujući premazi mogu popraviti manje ogrebotine i tragove od pranja, održavajući automobile novijim dulje vrijeme. Veliki proizvođači automobila istražuju i ugrađuju samoiscjeljujuće prozirne lakove na odabranim modelima diljem svijeta.
• Zaštitni premazi: Samoiscjeljujući premazi mogu se koristiti za zaštitu struktura od korozije i trošenja, produžujući njihov životni vijek i smanjujući troškove održavanja.
• Brodski premazi: Samoiscjeljujući premazi mogu spriječiti rast morskih organizama na trupovima brodova, smanjujući otpor i poboljšavajući učinkovitost goriva.

Građevinski materijali

• Samoiscjeljujući beton: Bakterije ili drugi mikroorganizmi ugrađuju se u betonske smjese. Kada se formiraju pukotine, ti se mikroorganizmi aktiviraju i proizvode kalcijev karbonat, koji ispunjava pukotine i popravlja oštećenje. Ova se tehnologija istražuje i testira u različitim infrastrukturnim projektima diljem svijeta kako bi se povećala trajnost i smanjilo održavanje.
• Samoiscjeljujući asfalt: Mikrokapsule koje sadrže pomlađivače mogu se dodati asfaltu za popravak pukotina i produženje vijeka trajanja cesta.

Elektronika

• Fleksibilna elektronika: Samoiscjeljujući polimeri mogu se koristiti za izradu fleksibilnih i rastezljivih elektroničkih uređaja koji se mogu sami popraviti nakon oštećenja. To je posebno važno za nosivu elektroniku i senzore.
• Baterije: Samoiscjeljujući materijali mogu se koristiti za poboljšanje sigurnosti i životnog vijeka baterija popravljanjem pukotina i sprječavanjem curenja elektrolita.

Zrakoplovstvo i svemirska industrija

• Strukture zrakoplova: Samoiscjeljujući materijali mogu se koristiti za popravak oštećenja na strukturama zrakoplova, kao što su pukotine na trupu ili krilima, poboljšavajući sigurnost i smanjujući troškove održavanja.
• Komponente svemirskih letjelica: Samoiscjeljujući materijali mogu se koristiti za zaštitu komponenti svemirskih letjelica od zračenja i udara mikrometeoroida, produžujući njihov životni vijek u surovom okruženju svemira.

Tekstil

• Samoiscjeljujuće tkanine: Samoiscjeljujući premazi mogu se nanositi na tkanine za popravak poderotina i probijanja, produžujući vijek trajanja odjeće i drugih tekstila. To je posebno korisno u zaštitnoj odjeći i sportskoj opremi.

Izazovi i budući smjerovi

Iako pametni materijali nude ogroman potencijal, još uvijek postoji nekoliko izazova koje treba riješiti prije nego što se mogu široko primijeniti:

• Cijena: Trošak proizvodnje pametnih materijala može biti visok, što ograničava njihovu upotrebu u nekim primjenama.
• Trajnost: Trajnost nekih pametnih materijala, osobito SMP-a i samoiscjeljujućih materijala, treba poboljšati kako bi izdržali teške uvjete okoline.
• Skalabilnost: Povećanje proizvodnje pametnih materijala kako bi se zadovoljila industrijska potražnja može biti izazovno.
• Utjecaj na okoliš: Utjecaj proizvodnje i odlaganja pametnih materijala na okoliš treba pažljivo razmotriti.
• Dugoročne performanse: Potrebno je više istraživanja kako bi se razumjele dugoročne performanse i pouzdanost pametnih materijala.

Unatoč ovim izazovima, istraživanje i razvoj u području pametnih materijala brzo napreduju. Budući smjerovi uključuju:

• Razvoj novih i poboljšanih pametnih materijala s poboljšanim svojstvima i funkcionalnostima.
• Istraživanje novih primjena pametnih materijala u novim područjima kao što su umjetna inteligencija i biotehnologija.
• Poboljšanje isplativosti i skalabilnosti proizvodnje pametnih materijala.
• Razvoj održivih i ekološki prihvatljivih pametnih materijala.
• Integracija pametnih materijala u svakodnevne proizvode kako bi se poboljšale njihove performanse, trajnost i održivost.

Globalno istraživanje i razvoj

Istraživanje i razvoj pametnih materijala globalni je napor, sa značajnim doprinosima sveučilišta, istraživačkih instituta i tvrtki diljem svijeta. Zemlje poput Sjedinjenih Država, Njemačke, Japana, Južne Koreje, Kine i Ujedinjenog Kraljevstva prednjače u ovom području. Međunarodna suradnja i razmjena znanja ključni su za ubrzavanje razvoja i usvajanja pametnih materijala.

Zaključak

Pametni materijali, uključujući materijale s memorijom oblika i samoiscjeljujuće materijale, predstavljaju promjenu paradigme u znanosti o materijalima i inženjerstvu. Njihova sposobnost da odgovore na vanjske podražaje i prilagode se promjenjivim uvjetima otvara svijet mogućnosti za inovacije i tehnološki napredak. Kako istraživanje i razvoj nastavljaju pomicati granice mogućeg, možemo očekivati još revolucionarnije primjene pametnih materijala u godinama koje dolaze, utječući na industrije i poboljšavajući živote na globalnoj razini. Od medicinskih uređaja do zrakoplovnih struktura, pametni materijali spremni su odigrati ključnu ulogu u oblikovanju budućnosti.