Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jako materiály s tvarovou pamětí, tedy pevné látky, které v reakci na změnu vnějších podmínek (nejčastěji teplota, ale třeba i mechanické namáhání, elektrické nebo magnetické pole) mění vratně svůj tvar (nejčastěji prostě objem), využíváme dnes především kovy. Má to dobrý důvod, protože kovy jsou ohebné a nelámou se. Ani tak není tvarová deformace dokonale vratná, na atomární úrovni dochází k poškození a materiály nakonec degradují. Pro jiné než kovové materiály to platí dvojnásobně, vydrží jen malý počet příslušných cyklů.
Nicméně kovové materiály se zase obvykle mohou používat jen řádově do stovek stupňů Celsia, keramika různého typu a příbuzné látky vydrží o řád více. Problém je ale samozřejmě s jejich křehkostí. Edward Pang, Gregory Olson a Christopher Schuh se nicméně tuto překážku rozhodli překonat. Jejich cílem je, aby se materiály s tvarovou pamětí v roli aktuátorů (tedy pro ovládání pohybu jiných zařízení) mohly používat i v prostředích s vysokou teplotou, tedy např. v proudových motorech nebo vrtných systémech.
Výzkumníci vyšli ze zirkonu (křemičitan zirkoničitý), který se vyznačuje tvarovou pamětí, ale po několika cyklech praská. Cílem bylo tedy materiál upravit tak, aby se zvýšila jeho odolnost. Za tímto cílem se použila a zkombinována celá řada nástrojů a metod, např. výpočetní termodynamika, fyzika fázových přeměn, krystalografické výpočty a strojové učení. Vyvinutý materiál na první pohled vypadá jako běžný zirkon, do jeho struktury (krystalové mřížky) jsou však zabudovány navíc další atomy, které její vlastnosti v atomárním měřítku dále upravují. Výsledkem je změněná hystereze (ta zde odpovídá míře poškození a tomu, kolik materiál vydrží pracovních cyklů), která klesla až na úroveň kovů. Míra deformace materiálu je přitom až 10 %, což je dost na to, aby zařízení vykonávalo mechanickou práci.
Jednou z běžných aplikací materiálů s tvarovou pamětí jsou přetlakové ventily; v případě, že nádrž např. překročí určitou kritickou teplotu, se spustí ventil, který zásobník automaticky otevře, aby snížil tlak a zabránil výbuchu. Nový keramický materiál by nyní mohl tuto funkcionalitu rozšířit na situace s mnohem vyšší teplotou, než jakou zvládnou současné materiály na bázi kovů. Autoři výzkumu v této souvislosti zmiňují také aktuátory, které řídí proudění vzduchu uvnitř tryskového motoru. Navíc jediná součástka se dá snáze realizovat než třeba hydrodynamický píst. Materiály s tvarovou pamětí se také budou nejspíš stále více uplatňovat pro řízení mikrorobotů, v různých systémech „laboratoře na čipu“ apod.
Christopher Schuh, et al. Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05210-1. www.nature.com/articles/s41586-022-05210-1
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / Phys.org
