Nitinol

Slitiny s tvarovou pamětí

Nitinol je slitina niklu a titanu, která patří do skupiny materiálů takzvaných slitin s tvarovou pamětí (Shape Memory Alloys – SMA).

Za pokojové teploty je krystalická mřížka nitinolu martenzitická a za vyšší teploty austenitická. U martenzitické mřížky jsou z jistého úhlu pohledu vazby mezi atomy šikmé. Při deformaci drátu tyto vazby můžeme jakoby natáčet, ale atomy mají stále své stejné sousedy. Když deformovaný drát zahřejeme přibližně na 75 °C, atomy se začnou přeskupovat do vysokoteplotní austenitické mřížky a drát znovu zaujme svůj původní tvar. Jak drát chladne, mřížka se postupně mění na nízkoteplotní martenzitickou, ale tvar už zůstane zachován.

Experiment s drátem

Ukažme si tuto vlastnost v experimentu. Drát z nitinolu deformujeme natažením. Martenzitická mřížka dovoluje deformace „natáčením“ šikmých meziatomárních vazeb tak, že sousední atomy zůstávají stále sousedními, pouze změní svoji polohu.

Nalitím horké vody se drát ohřeje nad transformační teplotu a atomy se opět přeskládají do austenitické mřížky, čímž se změní tvar drátu na původní „naučený“. Drát poznal, že je voda HOT – horká! V tomto případě stačí na rekrystalizaci (změnu mřížky) teplota asi 75 °C. Vzájemným poměrem niklu a titanu lze při výrobě drátu teplotu transformace měnit v rozmezí –200 až 110 °C.

Otázky:

1. Stručně vysvětlete fungování materiálu s tvarovou pamětí.
2. Čím jsou tyto vlastnosti způsobeny?
3. V jaké oblasti a k čemu bychom mohli nitinolový drát a výrobky z něj použít?

Poznámky pro učitele

Nitinolový drát může být rovný z výroby, nebo ho můžeme naučit téměř libovolný tvar. My jsme ho naučili anglické slovíčko HOT. Jak na to? Udělali jsme to vytvarováním a zafixováním nitinolového drátu na kovovou šablonu. Ohřevem na 500 °C a setrváním na této teplotě po dobu asi 20 minut se atomy niklu a titanu naskládaly do pravidelné austenitické mřížky. Následným prudkým ochlazením do vody se krystalická mřížka změnila na nízkoteplotní martenzitickou. Nápis je HOTov a je možné ho sundat z šablony.

V případě, že nechcete upravovat nitinolový drát do vlastních tvarů, použijte základní drát, který se v horké vodě narovná, nebo si můžete zakoupit již předtvarované pomůcky (např. https://www.conatex.cz/catalog/fyzika/kalorika/salani_tepla_premena_energie_termodynamika_prenos_tepla/product-kancelarska_svorka_s_pametovym_efektem/sku-1040043#.YRrEUIj7S70).

Využití nitinolu:

• Jednou z oblastí, kde se s nitinolem nebo jinými materiály s tvarovou pamětí setkáme, je lékařství. Vyrábějí se z něj stenty, pomocí kterých vyztužujeme například cévy a tepny nebo i jícen, abychom udrželi jeho průchodnost. Z nitinolu můžeme vyrobit nástroje na čištění zubních kanálků nebo ho třeba využít k výrobě zubních rovnátek. Po vložení do cévy dojde k jeho zahřátí a roztažení, čímž je céva zprůchodněna.
• Dalším využitím je směšovací baterie, kde nitinol nahrazuje klasický termostat. Jeho vlastnosti jsou však tak fantastické, že jich možná naplno využijeme až při dobývání vesmíru. Nitinol by se totiž docela dobře hodil na výrobu kol robotů pohybujících se po povrchu cizí planety.