Az intelligens, "smart" anyagok a kutatások középpontjában állnak, ugyanis alkalmazásuk olyan új lehetőségeket kínál, amelyekre a jelenleg elterjedt, hétköznapi anyagok nem képesek. Az intelligens anyagok külső behatásokra ugyanis képesek megváltoztatni a saját állapotukat. Az egyik legfőbb alkalmazási terület az alakemlékező anyagok, amelyeket egyre nagyobb arányban alkalmaznak az űr- és repüléstechnikában, illetve az orvostechnikában.

Alakemlékezés folyamata a műanyagnál: a) létrehozott, csavart és kilapított ideiglenes forma, ami hő hatására egyre inkább visszaalakul a kezdeti alakjára, amelyet az f) állapot mutat. Közben elveszíti a spirális formáját és ismét cső alakot vesz fel.

Különösen az űrtechnológiában fontos, hogy a világűrbe szállított eszközök mérete minél kisebb, kompaktabb legyen, hogy a rakodótérben kis helyet foglaljanak. Ez azt jelenti, hogy a létrehozott nagyméretű termék geometriáját át kell alakítani egy ideiglenes, átmeneti alakra. Ehhez megfelelő, "intelligens" műanyagra és alakemlékező programozásra van szükség. Majd, amikor a terméket a megfelelő célállomásra juttatták, ott lényegében újra kinyílik, kicsomagolja önmagát a fénysugárzás, vagy hő hatására, hogy felvegye a működéséhez szükséges eredeti alakot. De ugyancsak ilyen intelligens anyagok segíthetik a jövőben a műtétek utáni varratok gyógyulását is, ahol az alakemlékező és egyben lebomló műanyag varrófonal lesz a felelős azért, hogy az összeöltött bőrrészeket egyre jobban összehúzza és csak nagyon vékony heges vonal alakuljon ki a bőrfelületen.

Az alakemlékező műanyagok létrehozásához legalább két különböző műanyagkomponens egyidejű jelenlétére van szükség a termék falában. Az egyik komponens alkotja az anyag befoglaló szerkezetét, ez felelős az anyag állandó alakjáért. Ebbe a szerkezetbe kell beépíteni a gyártásnál egy másik, kapcsoló funkcióval rendelkező építőelemet, hogy egy olyan rendszer jöjjön létre, amely így képes lesz visszaalakulni az eredeti alakjára, amennyiben a beépített kapcsolóelemet külső hatás (fény, hő, elektromos- és mágneses tér) éri. A hatások közül főleg a hőenergia az, amivel az alakemlékezés jól kiváltható [1].

Hogyan kell programozni ezeket a műanyagokat? Ehhez első lépésben meg kell érteni, hogyan épülnek fel a műanyagok. A műanyagokat hosszú szerves láncmolekulák építik fel, amely láncok alapállapotukban egy statisztikus gombolyagot alkotnak. Ebben a formában a különböző láncok egymással is összegabalyodnak, kapcsolódási pontokat létrehozva. Ezek a molekulaláncok a hőmérséklettől függően képesek kisebb mozgásokra az anyagon belül (ugyanúgy, mint ahogyan a fémekben lévő atommagok is rezegnek a rendezett rácsszerkezetükben). A láncok mozgását azonban a hőmérséklet nagyon jelentősen befolyásolja. Minden műanyagra jellemző egy speciális hőmérsékleti érték, amit üvegesedési átmeneti hőmérsékletnek nevezünk, amely hőmérséklet alatt megszűnik a molekulaláncok mozgása és a műanyag üvegszerűen viselkedik, ezen hőmérséklet felett viszont a láncok újra mozgásra képesek [1, 2].

Alakemlékező műanyagok programozása: 1) eredeti alak megnyújtása az üvegesedési hőmérséklet felett külső erővel, 2) az alak rögzítése hűtéssel az üvegesedési hőmérséklet alatt, 3) visszamelegítés után a molekulaláncok visszarendeződnek az eredeti formára [2]

Ezt a jelenséget lehet kihasználni a hőre alakemlékező műanyagoknál, polimereknél. A kezdetben összegombolyodott láncok az üvegesedési hőmérséklet felett alakíthatók, tehát az eredeti anyag formáját külső erőhatásra meg lehet nyújtani úgy, hogy a molekulaláncok a terhelés irányába elkezdenek a hurkolt formából egyre jobban "kiegyenesedni". Ha a termék megnyújtott formája kialakult, akkor azt a formát meg kell tartani a külső erővel addig, amíg a terméket lehűtik a speciális üvegesedési hőmérséklet alá.

Ha lehűtötték megfelelően a terméket, akkor a molekulaláncok üvegszerűen viselkednek, mozgásra nem képesek. Így tudják megtartani a létrehozott, kinyújtott állapotot az alakító erőhatás elvétele után is addig, ameddig a hőmérséklet nem növekszik ismételten az üvegesedési hőmérséklet érték fölé. Ilyenkor ugyanis újra megindul a láncok mozgása, amelyek emlékeznek az eredeti alakjukra, ezáltal képesek visszarendeződni a kiindulási formára. Így válnak hő hatására programozhatóvá ezek a speciális szintetikus anyagok. Abban az esetben, ha az alakemlékező anyag üvegesedési hőmérséklete szobahőmérséklet felett van, akkor a létrehozott ideiglenes alakot akár normál, otthoni körülmények között is tartósan meg lehet tartani és csak nagyobb, 60-80°C-os közegben indul meg az alakzat visszaalakulása [3].

Az alakemlékezés jelensége látható az animáción: 3D nyomtatott Eiffel-torony eredeti alakját a csúcsánál lehajtással torzítják, az alakot rögzítették alacsony hőmérsékleten, majd a terméket visszamelegítve látható, ahogyan az visszanyeri eredeti alakját [4]

Az ilyen alakemlékező rendszerek ráadásul tárolják magukban az ideiglenes alakításukhoz szükséges deformáló energiát. Így, amikor a befagyasztott formából megindul a visszaalakulás az eredeti formára, a tárolt energiát az anyag képes leadni, tehát munkát végezni. Ez látható játékos formában az alábbi videón, amit a Rochester Egyetem munkatársai készítettek az általuk fejlesztett alakemlékező műanyagukról, ahol az alakemlékezést ugyanúgy a közölt hő váltja ki a bejegyzésben ismertetett metódus alapján:

Munkavégzésre képes alakemlékező polimer bemutatása egy egyetemi oktatási videóban

A teljesség kedvéért még egy érdekesség: a fémeknél is létezik az alakemlékező képesség. Sőt, több fém szemüvegkeret is ilyen alakemlékező anyagból, úgynevezett NITINOL ötvözetből készítenek. Ha a szemüvegkeret véletlenül meghajlik, deformálódik egy átlagos hétköznapi hőmérsékletén, akkor a torzult szemüvegkeret képes arra, hogy az eredeti, egyenes alakját visszanyerje a melegítés után. A NITINOL fémötvözet működése ugyanaz, mint amit ismertettem a bejegyzésben. A blog végén lévő videóban egy ilyen alakemlékező fém visszaalakulása látható, ahol a fém akár több alkalommal is deformálható és visszaalakítható (ezt nevezzük többszörösen alakemlékező anyagnak), ugyanis amíg az alakítás hőmérséklete és a visszaalakulás hőmérséklete kisebb, mint az a hőmérséklet, ahol az alakemlékezést létrehozták, addig az anyag alakemlékező marad. Ez azt jelenti, hogyha a termék eredeti formáját mondjuk 200°C-on rögzítették, akkor a NITINOL gemkapocs formája ezen hőmérséklet alatt számos alkalommal torzítható és vissza is alakítható, a 200°C-os alakrögzítésnél kisebb hőmérsékleten. A termék az alakprogramozását viszont elveszíti, hogyha a termék hőmérséklete az alakrögzítésnél alkalmazott hőmérséklet fölé melegszik.

A NITINOL fémötvözet alakemlékezését bemutató videó

Források:

[1] Karger-Kocsis J.: Alakemlékező polimerek és kompozitjaik, előadás az "Ember alkotta anyag" konferencián, 2016. december.
[2] Behl M., Lendlein A.: Shape-memory polymers. Materials Today 10, 20-28 (2007).
[3] Czifrák K., Verner E., Karger-Kocsis J., Zsuga M., Kéki S.: Az alakemlékező polimerekről napjainkban. Polimerek 3, 12-16 (2017).
[4] I waste so much time honlapja