1/2021

Vědci hledají pružný kov, který nepocítí únavu. Ani po milionech deformací

| zdroj: AV ČR0

2021_06_23_drat.jpg
zdroj: avcr.cz/Tepelná úprava superelastického drátu z nitinolu pomocí laseru. Drát napnutý na požadovanou délku rotuje kolem své osy a posouvá se k laserovému svazku.

Dokážou se smrštit a zase vrátit do původního tvaru. Nevšední vlastnosti speciálních kovových slitin našly uplatnění v mnoha oblastech. Pulzují například ve formě koronárních stentů po miliony cyklů v cévních řečištích. Čeští vědci v čele s Petrem Šittnerem z Fyzikálního ústavu AV ČR pracují na jejich dalším vylepšení. O elastických kovech jsme psali v časopise A / Věda a výzkum.

Pomáhá v medicíně i letecké dopravě. Závisí na něm zdraví, ba dokonce i životy. Přesto ho většina z nás ani nezná jménem. Zůstává anonymně v pozadí, a to i tehdy, kdy je nám hodně nablízku a my si naléhavě přejeme, aby neselhal. Řeč je o nitinolu, slitině niklu a titanu.

Má podivuhodné vlastnosti, pro něž ho využívají chirurgové třeba v podobě stentů, které rozšiřují ucpané cévy. Kovový stent se stlačí do nepatrných rozměrů a dopraví trubičkou zavedenou do žíly na určené místo, kde se po vysunutí rozvine do předem daného tvaru. Stent vyztuží cévní stěnu a v rytmu tepu srdce s ní mění tvar. Zubaři zase používají nitinolové nástroje k ošetření zubních kanálků, když vyplňují mrtvý zub, aby ještě roky sloužil.

Historie nitinolu ale není spjata jen se zachraňováním životů a udržováním zdraví. Jeho vznik měl docela opačný účel. V padesátých letech minulého století se v americké Naval Ordnance Laboratory hledala slitina, ze které by šla vyrobit hlavice pro balistickou jadernou raketu Polaris. Jelikož šlo o střelu odpalovanou z ponorek, musela její špička při vystřelování odolat vodě a hlavně vydržet i průlet atmosférou. Nesměla se rozpadnout a shořet.

Na úkolu pracoval metalurg William J. Buehler. Protože zjistil, že slitina niklu a titanu v poměru jedna ku jedné má šanci to zvládnout, představil ji v roce 1961 na schůzce vedení laboratoře. Vzorek ve formě zohýbaného pásku nechal kolovat mezi účastníky. Ti si ho prohlédli a poté natáhli a zdeformovali. Jeden z nich ke slitině přiložil oheň ze zapalovače, načež se materiál k překvapení všech zvlnil do původního stavu.

Na úrovni atomů

Slovo nitinol je odvozeno od jeho složení a místa objevu – Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory. Zatímco armáda využívala nitinol okamžitě, do jiných oblastí pronikl až zhruba o deset let později. Důvodem byl fakt, že mechanické vlastnosti nitinolu se mění s teplotou a také se jen těžko opracovává a svařuje. Zato má dva důležité rysy, pro které je tak oblíbený – tvarovou paměť a především superelasticitu.

Tvarová paměť nitinolu se ukázala už při jeho zrodu v Naval Ordnance Laboratory. Vezmeme pružinu vyrobenou z drátu a roztáhneme ji. Drát zůstane natažený. Když ho však zahřejeme, třeba plamenem svíčky nebo fénem, kvapem se složí do původního tvaru pružiny. Superelasticita je také schopnost materiálu podrobit se velkým deformacím, ale jakmile vnější síla přestane působit, dojde k okamžitému návratu do předchozího tvaru. Tvarová paměť je sice efektní podívaná, ale v praktických aplikacích se využívá především superelasticita.

Chce-li dnes někdo vylepšit nebo upravit vlastnosti kovové slitiny, jako je nitinol, musí se ponořit hluboko do jejího nitra. Tomu se dlouhodobě věnuje Petr Šittner z Fyzikálního ústavu AV ČR. Od roku 1984, kdy dokončil studium vysoké školy, se obor kovových materiálů neskutečně proměnil. Ve fyzice, podobně jako v chemii či biologii, se dnes vědci neobejdou bez podrobných znalostí stavby pevné látky na úrovni jednotlivých atomů. „Snažíme se pozorovat a upravovat strukturu kovu v nanometrických rozměrech. Před třiceti lety tyto možnosti nebyly,“ říká badatel.

Už tak pozoruhodné vlastnosti nitinolu se pokoušejí ještě zlepšit v oddělení funkčních materiálů, které Petr Šittner vede. Do tehdejšího Fyzikálního ústavu ČSAV nastoupil v roce 1985. Koncem osmdesátých let se začal zabývat studiem kovových slitin vykazujících martenzitické fázové přeměny.

Krychle a kvádry

V kovech se atomy přirozeně uspořádávají do krystalických mřížek s různou symetrií. Nitinol má při teplotách okolo 100 °C symetricky uspořádanou kubickou mřížku. Tomuto stavu se říká austenit. Po ochlazení přechází slitina do fáze martenzitu, jehož méně symetrická monoklinická mřížka má atomy spojené do podoby kosých kvádrů. Protože mají výrazně nižší symetrii, může z jedné krychle vzniknout až dvanáct stejných, ale různě natočených kvádrů. Deformací, třeba zmíněným zmačkáním pružiny, se martenzitické kvádry natočí směrem, ze kterého působí napětí. Díky tomu se vazby mezi atomy nenaruší a materiál se nepoškodí.

Monoklinická mřížka martenzitu se ale s rostoucí teplotou stává nestabilní. Když slitinu zahříváme, při určitém stupni se přemění zpět na kubickou mřížku austenitu. Natažený drát se sám opět upraví do tvaru pružiny. Proměna uspořádání atomů v krystalové mřížce se odehraje buď najednou v celém předmětu, nebo probíhá postupně. Častější je druhý případ. Vznikne takzvané vnitřní rozhraní, tedy přesně lokalizované místo, ve kterém se jedna mřížka přepisuje do jiné. Rozhraní se pohybuje a postupně mění kov z austenitu na martenzit nebo naopak. Takto se dá zjednodušeně popsat martenzitická přeměna.

Drát z hliníkové slitiny, z něhož se vyrábí běžný plot, se dá ohnout třeba dvacetkrát, pak ale praskne. V místě ohybu se materiál postupně zpevní, vzroste síla nutná k ohnutí, začnou se šířit trhliny a dalším ohýbáním se zlomí. Kdežto drát z nitinolu se dá ohnout nejméně tisíckrát. Deformuje se pohybem vnitřních rozhraní, které netvoří krystalové poruchy. Únavové vlastnosti nitinolu jsou mnohem lepší než u tradičních kovů.

Jenže v případě koronárních stentů, které se deformují elasticky, jsou tyto vlastnosti u nitinolu horší než u kvalitní nerezové oceli. Z výsledků souvisejícího výzkumu v laboratořích Fyzikálního ústavu AV ČR vyšlo najevo, že důvodem je mechanicky aktivovaný pohyb vnitřních rozhraní. Únava a porušení materiálu znemožňují další slibné aplikace, a to nejen nitinolu, ale i jiných nadějných kovových slitin. Nejlepší by bylo vyvinout materiál podobný obyčejné gumě, jehož krystalová mřížka se mění v celém objemu spojitě. Anebo připravit materiál, v němž se budou pohybovat rozhraní, která jej nepoškodí. Obě cesty se zdají možné.

Nadějné aplikace

Petr Šittner se svým týmem díky Akademické prémii prostuduje deformační mechanismy v nových kovových slitinách s vysokou pevností a elasticitou. Jednou z nich bude například slitina kobaltu, železa, niklu a gallia, jejíž krystalová mřížka se pod napětím mění najednou v celém objemu, nikoli pohybem rozhraní.

Výzkum změn krystalové mřížky pod vlivem napětí se neobejde bez speciálních přístrojů, kterými disponují například v European Synchrotron Radiation Facility umístěném v Grenoblu ve Francii. S tímto pracovištěm se tým Petra Šittnera loni v prosinci kvůli pandemii covidu-19 spojil na dálku přes platformu Zoom.

„Je to zcela nová zkušenost. Nejdřív jsem k tomu byl velmi skeptický, ale experiment proběhl přesně podle našeho zadání, především díky ochotě a schopnostem tamních pracovníků. Výsledky máme a dávají dobrý smysl. Čeká nás však ještě obrovská spousta práce s jejich vyhodnocením a interpretací.“

Takto pojatý distanční výzkum by však byl jen velmi pomalý. Petr Šittner proto vymyslel alternativní postup. Připraví vzorky kovových slitin ve formě velmi tenkých vláken. Následně je zatíží ve speciálních rentgenových zařízeních, jež se nacházejí v nově budovaných laboratořích Fyzikálního ústavu AV ČR.

Když se podaří připravit vysoce pevné kovové slitiny s vratnou deformací bez mechanické únavy, půjde o průlomový výsledek. Následné aplikace by se mohly uplatnit v robotice, medicíně, leteckých či vesmírných technologiích nebo elektronice. „Nejsme sami, kdo ve světě takové materiály usilovně hledá a zkouší. Máme výhodu v podobě dvacetileté zkušenosti z výzkumu superelastické deformace slitin s tvarovou pamětí,“ podotýká Petr Šittner. K přípravě pevných a superpružných kovových slitin se dnes používají nejrůznější recepty. „My půjdeme osvědčenou cestou volby chemického složení a termomechanického zpracování. Cílem je materiál maximálně zpevnit.“

Jaké aplikace tedy speciální kovové slitiny ještě nabídnou? Nitinol vedle superelastických stentů a dalších pomůcek v lékařství už dnes nachází uplatnění ve směšovacích vodovodních bateriích, kávovarech, parovodech či klimatizacích. K tomu se rodí také pokročilé aplikace v robotice, letectví a dopravě.

Pozoruhodné vlastnosti má i feromagnetická slitina niklu, manganu a gallia. Její monokrystal v martenzitickém stavu dokáže v magnetickém poli měnit své rozměry. Uvažuje se rovněž o přeměně mechanického pohybu na elektrickou energii. K nitinolovým stentům by tak v budoucnu mohly přibýt další užitečné nástroje, a to nejen z této slitiny vyrobené původně pro vojenské účely.

Tento článek i další zajímavé texty najdete v časopise A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

Komentáře

  1. Tento článek zatím ještě nikdo neokomentoval.

Okomentovat

Partneři

Satturn
AB Plast
Partner - SOVAK
EAGB
Faircare
Inisoft
Xylem
Seven energy
Energotrans
United Energy
SPVEZ
Povodí Vltavy
Ecobat
Veolia
Ekowatt
AKU-BAT
Wasten
Solární asociace
Sensoneo