Materiales con Memoria de Forma: Cómo se Doblan, Recuperan y Transforman con el Calor

Hoy les traemos a nuestro blog un tipo de material de creciente importancia: los materiales con memoria de forma.

Estos materiales tienen la particularidad de poder deformarse y luego recuperar su forma original al aplicar un estímulo externo (generalmente temperatura). Como mencionamos anteriormente en otra publicación, se trata de un material inteligente.

Como ejemplo, ¿a quién no se le ha doblado un cubierto o un alfiler? ¿Se imaginan que al dejarlos sobre el radiador recuperaran su forma original? Con este tipo de materiales es posible, y sus ventajas no terminan ahí.

¿Qué son?

Como hemos mencionado, los materiales con memoria de forma, tras sufrir una deformación, pueden recuperar su forma original. Si lo describimos así, su comportamiento parece similar al de los materiales elásticos, pero en realidad son muy diferentes. Su singularidad radica en que cuando desaparece la fuerza que causa la deformación, se mantiene la forma deformada, y es necesario elevar la temperatura del material para que vuelva a su estado original.

Esta recuperación de la forma original con la temperatura se debe al cambio en la estructura interna del material. Estos materiales tienden a tener una disposición laminar y fibrilar a baja temperatura, lo que facilita las deformaciones, ya que algunas láminas pueden moverse respecto a otras; esto se llama estado martensítico. Al calentarse, el material adquiere una disposición cúbica mucho más rígida, que ya no permite el movimiento del material ni, por tanto, las deformaciones; esto se llama estado austenítico. Esta transición de la estructura laminar a la cúbica tiene la fuerza suficiente para devolver el material a su forma original y deshacer todas las deformaciones sufridas. Una vez que la temperatura baja de nuevo, el material se reorganiza en forma laminar y puede volver a deformarse. Este proceso es típico de la disposición atómica del material, lo que significa que puede repetirse innumerables veces sin afectar su comportamiento, evitando así, por ejemplo, roturas mecánicas por desgaste o fatiga en sensores o válvulas.

¿Para qué sirven los materiales con memoria de forma en la industria?

Para que estos materiales pasen de la fase martensítica a la austenítica, como hemos dicho, es necesario aumentar su temperatura. Esto puede lograrse aplicando calor, o de manera muy conveniente, aplicando electricidad. El hecho de que la temperatura de estos materiales pueda aumentarse o disminuirse mediante electricidad los convierte en candidatos ideales para actuar como actuadores o sensores. La recuperación de las deformaciones es siempre la misma a la misma temperatura, lo que significa que pueden servir como actuadores y sensores de gran precisión. Además, las deformaciones que suelen ocurrir en estos materiales se producen más rápido que en otros tipos de materiales utilizados habitualmente en este tipo de aplicaciones.

Hemos comentado que los materiales con memoria de forma pueden recuperar su forma original al someterse al calor y luego volver a deformarse. Esto es muy conveniente para algunas aplicaciones, pero en otras, como los actuadores, lo que se necesita es cambiar de una posición a otra, siendo ambas fijas. ¿Es esto posible? La respuesta es sí, ya que existen materiales con memoria de forma que presentan dos memorias de forma a diferentes temperaturas. Esto permite fijar la geometría del material a dos temperaturas diferentes y conocidas, lo que resulta muy práctico.

Tipos de materiales con memoria de forma

Los materiales con memoria de forma más utilizados hasta ahora son los de naturaleza metálica. Entre ellos, el llamado Nitinol (aleación de Níquel y Titanio) es uno de los más empleados por sus buenas propiedades. No obstante, existen otras aleaciones metálicas que también tienen memoria de forma, como las de Cobre, Zinc y Aluminio (Cu-Zn-Al); Cobre, Aluminio y Níquel (Cu-Al-Ni); o Hierro, Manganeso y Silicio (Fe-Mn-Si).

Hasta hace poco, estos tipos de materiales solo se obtenían de naturaleza metálica, pero la investigación en este campo en los últimos años ha llevado a la aparición de materiales con memoria de forma plásticos. Estos, por su naturaleza plástica, son muy prometedores, por ejemplo, en aplicaciones donde se desean piezas más ligeras. También los materiales plásticos de cambio de forma o auto-reparables tienen propiedades similares a los materiales con memoria de forma.

Otros tipos de materiales con memoria que aún están en estudio y cuyo uso no se ha extendido tanto son los materiales con memoria de forma cerámicos y los materiales con memoria de forma ferromagnéticos. Aun así, estamos seguros de que en el futuro todos estos tipos de materiales tendrán un gran impacto.

Aplicaciones

Aquí les mostramos algunos ejemplos de su aplicación:

Una de las aplicaciones que comienza a expandirse ahora es el uso de estos materiales para unir tuberías, sin necesidad de soldadura. El principio es sencillo: se toma un material con memoria de forma, se coloca dentro de los tubos y luego se le aplica calor para que recupere su forma original, con un diámetro mayor, con el fin de fijar sólidamente los tubos. La propia presión que ejerce el material desde el interior de los tubos hace que se unan y es muy difícil separarlos; en algunos casos resisten mejor que las soldaduras.

El mismo principio se utiliza, por ejemplo, en el sector sanitario para abrir obstrucciones en el cuerpo. Se construyen pequeños stents que pueden insertarse en venas u arterias bloqueadas, y al contacto con el calor corporal se expanden, permitiendo de nuevo el paso de la sangre.

Estas son algunas aplicaciones de estos materiales en geometrías tubulares, pero su campo de aplicación y posibles geometrías es muy amplio. Por ejemplo, puede aplicarse a las carrocerías de coches o aviones, para modificar su geometría mientras circulan y así mejorar su aerodinámica, reduciendo el consumo de combustible. Si pensamos en actuadores, cuya función es moverse de una posición a otra, la gran mayoría en el futuro podrían estar hechos de materiales con memoria de forma.

Actualmente, podemos encontrar materiales con memoria de forma en equipos médicos y suministros sanitarios, desde implantes dentales hasta herramientas quirúrgicas (son fáciles de esterilizar). También en objetos cotidianos, como sujetadores de sujetadores, que usan el propio calor corporal para recuperar su forma, o en colchones, que recuperan su forma tras sufrir deformaciones por sentarse en ellos. Al ser materiales ligeros, resistentes y capaces de operar a altas temperaturas, también se utilizan ampliamente en componentes aeroespaciales como cohetes y sondas espaciales.

Debido a todas las posibles aplicaciones y ventajas que presentan estos materiales, creemos que en los próximos años darán mucho que hablar y los encontraremos cada vez en más productos sin darnos cuenta, ya que están en pleno auge y se estudian cada vez más.

¿Les ha parecido interesante el blog? ¿Quieren saber más sobre materiales con memoria de forma? No duden en contactarnos.