EOS

SMAs: gestiamo questi materiali “intelligenti” con Arduino

I fili a memoria di forma o Shape memory alloys (SMAs) sono materiali intelligenti che “ricordano” la loro forma originale. La loro caratteristica principale è quella di essere in grado di recuperare una forma preimpostata per effetto del semplice cambiamento di temperatura o dello stato di sollecitazione applicato.  Gli SMAs sono molto usati come attuatori poiché sono materiali che cambiano forma, rigidità, posizione, frequenza naturale e altre caratteristiche meccaniche come risposta a gradienti di temperatura. La possibilità di utilizzo degli SMAs soprattutto come attuatori ha ampliato lo spettro di molti campi scientifici. Nell’ultimo decennio l’interesse scientifico nei confronti di questi materiali “intelligenti” è di molto aumentato a causa delle molteplici applicazioni e del loro basso costo. In questo articolo ne studieremo la struttura chimico-fisica e la risposta a cambiamenti di temperatura e a stress meccanici, in più, vedremo alcune particolari applicazioni ed esperimenti. Nella parte conclusiva, utilizzando Arduino, metteremo in piedi un esperimento DIY per meglio comprendere come si comportano gli SMAs.

 

La storia

Gli SMAs sono delle leghe formate dall’unione di Nichel+Titanio, vengono solitamente chiamati “Nitinol” , “Ni” per Nickel, “ti” per Titanium e “nol” da Naval Ordnance LaboratoryLa capacità di memoria di forma degli SMAs fu scoperta nel 1961 da William J. Buehler, un ricercatore del Naval Ordnance Laboratory in White Oak, Maryland. La scoperta avvenne per caso. Durante una riunione di laboratorio, fu presentata una striscia di Nitinol che aveva subito diverse variazioni della sua forma, uno dei presenti, il Dr. David S. Muzzey, riscaldandola con la sua pipa si accorse che la striscia di Nitinol ritornò alla sua forma originale. Da quel momento fino ai giorni nostri, gli SMAs hanno avuto un notevole successo e un largo spettro di applicazioni in ambito scientifico e non solo.

Struttura Cristallina

La maggior parte dei solidi ha un'unica struttura cristallina, ma il NiTi ne ha due! Il passaggio dall'una all'altra costituisce una vera e propria transizione di fase allo stato solido, analoga in molti aspetti alla transizione solido-liquido. Come in quest’ultimo caso, infatti, il passaggio tra due stati della materia è indotto dalla variazione di temperatura, dalla forza applicata, o da una combinazione dei due fattori.

La caratteristica distintiva di una transizione di fase è il brusco cambiamento di una o più proprietà fisiche. Le proprietà macroscopiche di un materiale infatti dipendono fortemente dalla struttura cristallina, pertanto una sua seppur lieve modificazione può portare a materiali anche molto diversi tra loro.

Un esempio familiare è quello del Carbonio: un cristallo di Carbonio con la struttura tetraedrica (ogni atomo è al centro di un tetraedro ai cui vertici siedono altri atomi) costituisce il diamante. Ma il Carbonio può ugualmente presentarsi nella forma cristallina della grafite, in cui gli atomi si dispongono su strati debolmente legati tra loro. Grafite e diamante hanno la stessa composizione chimica essendo fatti di soli atomi di carbonio. La loro struttura cristallina è però profondamente diversa.

Ogni struttura è stabile in un determinato intervallo di pressione e temperatura. Tuttavia, in genere una volta che il cristallo si è formato con una specifica forma cristallina (per esempio, il diamante si forma solo a pressioni molto elevate) è molto difficile fargli cambiare forma modificando semplicemente pressione e temperatura.

Nel caso del Nitinol, invece, si può indurre il passaggio tra le due strutture variando la temperatura in un intervallo facilmente realizzabile in laboratorio. Le forme cristalline del Nitinol sono due:

  • Austenite: è la fase stabile ad alta temperatura. È caratterizzata da un reticolo a simmetria cubica a corpo centrato (BCC), in cui gli atomi cioè occupano i vertici di due reticoli cubici compenetrati. Il materiale in questa fase è duro e difficilmente deformabile.
  • Martensite: è la fase stabile a bassa temperatura. Ha una struttura cristallina monoclina distorta, molto meno simmetrica del tipo BCC. È caratterizzata da grande flessibilità e dalla capacità di essere facilmente deformata senza che tuttavia tale deformazione sia permanente, infatti, questa fase si forma e si accomoda in forma twinned, ovvero speculare rispetto ad un piano ideale tra due celle, non creando difetti irreversibili nel reticolo cristallino. Questa struttura a twins è pertanto facilmente deformabile, aprendosi nella forma detwinned come il mantice di una fisarmonica e, non avendo creato difetti di slittamento dei piani reticolari, è reversibile. Nella fase martensitica, perciò, il materiale sottoposto a uno sforzo meccanico è in grado di sopportare un alto grado di deformazione senza tuttavia rompere i legami chimici.

Poiché la trasformazione tra Austenite e Martensite è reversibile, alzando la temperatura il materiale esegue la trasformazione cristallina inversa e riprende la forma regolare e rigida della Austenite, indipendentemente dalla deformazione eventualmente subita nella fase Martensite. Si manifesta cioè l'effetto di memoria di forma SME (Shape Memory Effect).

 

Superelasticità

Oltre all'importante proprietà di "memoria" dei fili di Nitinol, un' altra importante caratteristica che li ha resi importanti dal punto di vista commerciale è sicuramente la superelasticità.

Tale proprietà si sviluppa quando la lega viene deformata, applicando un'appropriata forza, sopra la sua temperatura di trasformazione. Si genera in tal modo una Martensite indotta da sforzo (SIM) che si trova a temperatura maggiore del suo campo di esistenza: non appena lo sforzo viene rimosso essa si riconverte in Austenite indeformata. Questo fenomeno conferisce al materiale un'ottima elasticità.

Il fenomeno della superelasticità non è altro che un effetto di memoria meccanica del materiale: esso, sotto l'azione di uno stato di sollecitazione, assume una configurazione deformata, ben oltre il limite elastico, che può essere ripristinata togliendo lo stato di sollecitazione.

La superelasticità viene sfruttata per realizzazione di particolari montature per occhiali, come quelli mostrati qui di seguito:

in questo modo e' possibile realizzare montature per occhiali con eccezionali caratteristiche di resistenza alla deformazione e che, nel contempo, risultano particolarmente confortevoli da indossare.

 

Come settare la memoria di forma in un filo di Nitinol?

Non solo i “ metalli intelligenti” possono ricordare la forma originaria, ma addirittura possono essere addestrati a “memorizzarne” una nuova.

Per settare la forma che più preferiamo, [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2904 parole ed è riservato agli abbonati PLATINUM. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici MAKER e PLATINUM e potrai fare il download (PDF) di tutti gli EOS-Book, Firmware e degli speciali MONOTEMATICI. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.

Abbonati alle riviste di elettronica

7 Commenti

  1. Ernesto Sorrentino 24 settembre 2015
  2. VINCENZO VINCENZO 24 settembre 2015
  3. Gianni_L 24 settembre 2015
  4. VINCENZO VINCENZO 25 settembre 2015
  5. Paolo.Bisighin 9 ottobre 2015
  6. VINCENZO VINCENZO 22 ottobre 2015
  7. GiuseppeLeonardi 3 novembre 2015

Scrivi un commento

EOS