Cyklus Otevřená věda: Budoucnost protéz a raketových motorů v jedné slitině | E15.cz

Inspirativní rozhovory

Inspirativní rozhovory Vstoupit do speciálu

Cyklus Otevřená věda: Budoucnost protéz a raketových motorů v jedné slitině

Vojtěch Filipi

Pod hlavičkou projektu Otevřená věda se Akademie věd ČR snaží nalákat středoškolské studenty na stáže a nadchnout je pro vědeckou práci. Ve spolupráci s projektem vám přinášíme ojedinělý cyklus článků, rozhovorů a reportáží. Článek o nově nabytých poznatcích ze stáže studenta Vojtěcha si můžete přečíst nyní. V rámci Otevřené vědy pod vedením Olga Heczko, Dr. zkoumal slitiny s tvarovou pamětí.

V dnešní době se pro svoje tělo a krásu snažíme dělat mnoho. Při bolestech kloubů nebo svalů používáme různé protézy, pro krásnější zuby lidé nosí i dlouhé roky rovnátka. A co teprve osteonomie, tedy chirurgický zákrok, při němž se zkracují nebo prodlužují kosti a jehož popularita v posledních letech velmi roste. A nemáte snad náhodou na ruce obyčejný náramek s magnetickým zapínáním? 

Vědci se stále snaží vymýšlet a vyrábět lepší, odolnější, pružnější, pevnější nebo vodivější slitiny, které mívají často lepší vlastnosti než čisté prvky. Například rovnátka by nemohla být vyrobena z čistého železa, protože by korodovala přímo v našich ústech. Náramky budou nejspíše vyrobené z mědi kvůli její hustotě a měkkosti, jelikož by nevydržely vlhkost a kontakt s kůží. Tím by docházelo ke korozi, a proto bývají potaženy niklem.

Vlastností kovů je nespočet, ta neznámá, přesto velmi důležitá, je schopnost ‚tvarové paměti‘. Pokud vám to připomíná reklamu na matrace s ‚paměťovou pěnou‘, nejste daleko od pravdy (pozn. red. často se používá ang. název ‚shape memory‘ – tvarová paměť). Tyto matrace se přesně vytvarují na vaše tělo, a to díky pomalému vracení se do původního tvaru. Slitiny s tvarovou pamětí fungují na podobném principu, při určité teplotě se různě zformují a zachovají si svůj tvar, když se ochladí. 

Řekněme, že slitina má dvě různé struktury. První z nich je formována při vyšší energii (teplotě) a nazývá se austenit, v opačném případě při snížení teploty se jedná o martensit. 

Pokud máme materiál ve struktuře martensitu, můžeme ho různě natahovat, ohýbat nebo deformovat. Pokud nepřekročíme mez pevnosti, bude struktura zachována. Abychom získali austenickou mřížku, stačí dodat trochu tepla (energie) a materiál se vrátí do svého původního stavu. Při dodání moc velké energie se mohou vazby rozbít. V té chvíli se určité meziatomární vazby rozbijí, ale v ten samý okamžik vznikají vazby nové. Tyto vazby se mohou lišit délkou a tím vzniká specifická strukturu. Materiál je stále celistvý, ale změní tvar (na jedné straně se zkrátí a na té druhé naopak prodlouží). Na obrázcích níže vidíme, jak vznikly nové vazby a došlo k deformaci stran. Tento fyzikální jev se nazývá krystalické dvojčatění.

Cyklus Otevřená věda: Stáž ve výzkumu pro udržitelné zemědělství

V praxi to můžeme znát například z hodin fyziky z experimentálních pokusů. Vezmeme-li například kancelářskou sponu a libovolně ji natáhneme, zkroutíme, nebo ohneme, nevrátí se nám do původního stavu. Když ale sponu zahřejeme, stačí ji ponořit do horké vody, dodáme jí potřebnou energii a ona se přeorientuje do austenitu a vytvoří strukturu, kterou v něm původně měla. Pokud sponu zchladíme, její struktura se přeorientuje do martensitu, ale tvar zůstane zachován a opět ji můžete použít.

Jednou z nejznámějších slitin s tvarovanou pamětí je Nitinol (Ni a Ti). Nitinol ve formě martenzitu (nižší struktura) je poměrně měkký a tvoří takzvanou cik-cak strukturu. Ve formě austenitu má naopak stabilní kubickou strukturu, proto je takto mechanicky odolný a tvrdý. Podle poměru Ni a Ti se dá přechodná teplota mezi martenzitem a austentitem nastavit třeba na tělesnou teplotu, proto se Nitinol využívá v medicíně.

Nitinol je biotolerantí materiál, v poslední době se tak používá na různé protézy nebo náhradní kolenní či kyčelní klouby. Díky tvarované paměti dokáže přesně sloužit konkretnímu pacientovi. Z Nitinolu se vyrábí i jehly. Po vpichu změní svůj tvar a tím pádem se může zvětšit otvor a zvýšit proudění krve nebo vpichované látky.  

Nejnovější výzkum pracuje i na použití slitin s tvarovou pamětí v letectví nebo kosmonautice. NASA tyto slitiny používá pro testování svých raketových motorů, které musejí překonat obrovské rozdíly teplot, pnutí nebo mechanické namáhaní a přitom si zachovat svou pevnost. Slitiny jsou vhodné, protože se stále vrací do své původní mřížky, a tím si motor zachovává tvar. Pomáhájí odhalit místa s největším zatížením a ukazují efektivitu přenášení tepla.

Lidstvo zná slitiny s tvarovou pamětí již několik desetiletí. Pseudoelasticita materiálů byla pozorována ve 30. letech minulého století. Slitinu Nitinol vynalezli v americké United States Naval Ordnance Laboratory již v roce 1962. Dnes jsou slitiny poměrně hojně využívány v průmyslu, avšak na větší popularitu stále čekají. 

Cyklus Otevřená věda: Chemií k objasnění zločinu a objasněním zločinu k popularizaci vědy

V České republice probíhá spíše teoretický výzkum slitin s tvarovou pamětí než komerční testovaní a následné využití v průmyslu. Fyzikální ústav Akademie věd tyto jevy zkoumá již několik let a stále přichází s novými objevy a teoriemi. V poslední době Akademie zaznamenala větší úspěch v mezinárodním měřítku.

Nicméně jakýkoliv výzkum je časově i finančně náročný a fyzikální ústav by si zasloužil více prostředků a grantů. Schopnost tvarové paměti je natolik unikátní, že otázkou zůstává, do jaké míry ji můžeme ještě více využít v denních činnostech. Samotný proces výroby vzorku nebo kusu slitiny je drahý a vyžaduje přesné postupy.

Vědci musí zároveň počítat s těžko předvídatelným chováním slitin a způsobem jejich transformací. Jejich vlastnosti se mění i při malých rozdílech ve složení, a tak poznatky nemůžeme zobecňovat. Proto se zatím výrobky ze slitin sériově příliš nevyrábí. 

Myslím si, že v příštích letech o tvarové paměti určitě uslyšíme například v souvislosti s lety do vesmíru, s endoprotézami kolenních kloubů nebo ultralehkými roboty.

Autor: Vojtěch Filipi
 
Newsletter
Využijte služby
zasílání zpráv do vaší
e-mailové schránky!