Los materiales “con memoria de forma” se llaman así porque pueden transformarse de una forma a otra, y regresar a su estructura original. Las aplicaciones son múltiples: en infraestructura, salud y hasta en distintos sectores de la industria. Tres docentes del Instituto Balseiro acaban de recibir una distinción por haber publicado el mejor artículo de una revista científica internacional especializada en la temática en 2018. En esta nota de divulgación científica, los detalles.

Fecha de publicación: 02/07/2019

En la película “Terminator II”, un robot malévolo del futuro que lucha contra el personaje que defiende a la humanidad, también robot, de Arnold Schwarzenegger, sorprendió a millones de personas al auto-arreglarse luego de cada combate por estar construido por un material inteligente. Más allá de la ciencia ficción, en la actualidad existen materiales con memoria de forma que luego de ser deformados tienen la capacidad de regresar a su estructura original ante la presencia de determinados estímulos.

Desentrañar, comprender y controlar lo máximo posible cuáles son los mecanismos a nivel atómico que hacen posible que un material cambie y recupere su forma ha sido el trabajo de muchos científicos. En el congreso “Tecnologías de Memoria de Forma y Superelasticidad” (SMST, por sus siglas en inglés), realizado en mayo en Alemania, dos físicos y un ingeniero nuclear argentinos fueron reconocidos por un artículo publicado en una revista referente en esta temática.

En el citado artículo, publicado en la revista “Shape Memory and Superlasticity” en 2018, los autores, Jorge Pelegrina, Alejandro Yawny y Marcos Sade, reportaron ciertos hitos de la historia de la ciencia de las aleaciones de cobre con memoria de forma. Además, presentaron novedosos resultados que ayudan a comprender mejor este tipo de fenómenos. Los tres son egresados y docentes del Instituto Balseiro e investigadores de la División Física de Metales de la Comisión Nacional de Energía Atómica en el Centro Atómico Bariloche (CAB) y miembros del CONICET. El Instituto Balseiro es una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo).

Los Editores Asociados de la publicación “Shape Memory and Superelasticity”, publicada por la editorial Springer,  eligió entre todos los artículos publicados en esa revista durante 2018 al artículo de los científicos argentinos y  le dio el “Premio al mejor paper de 2018”. El mismo había sido publicado en un número especial dedicado a la trayectoria del Prof. Dr. Ing. Jan Van Humbeeck.

Ese científico belga es un referente mundial en el campo y además es colaborador histórico de los investigadores de Bariloche y de su grupo de trabajo. De hecho, el mentor de Van Humbeeck, Luc Delaey, fue quien primero inició los lazos de colaboración científica con Manfred Ahlers, director de las respectivas tesis doctorales de Sade y Pelegrina.

En Bariloche, la investigación sobre aleaciones con efecto memoria de forma comenzó con la llegada del Dr. Manfred Ahlers a la División Física de Metales. El primer trabajo del Dr. Ahlers sobre este tema realizado en el CAB data de 1974 en coautoría con Walter Arneodo, según informa Sade. Ese trabajo pionero en el grupo implicó desarrollar en los laboratorios locales el crecimiento de monocristales de aleaciones base de cobre. Luego la investigación básica en el tema se amplió y extendió incluso a la búsqueda de aplicaciones, algo que se continúa en la actualidad.

“La relación entre Delaey y Ahlers se extendió a los otrora discípulos de ambos profesores, quienes pudimos mantener durante años colaboraciones, discusiones científicas, visitas laborales a los respectivos laboratorios y también logramos generar una relación de amistad. De ahí que nuestro artículo, enviado especialmente para integrar dicho volumen, terminó luego compitiendo por el premio que reconoce al mejor trabajo publicado en la revista en 2018”, explicó Marcos Sade.

Cambios de forma

En el paper firmado por Pelegrina, Yawny y Sade, se reporta también la historia de ciertas investigaciones realizadas en aleaciones de cobre con memoria de forma, en el que científicos como Delaey, Ahlers y Van Humbeeck realizaron importantes aportes. Además, los autores de Bariloche reportan la utilización reciente de un modelo computacional y la realización, en sus laboratorios de Bariloche, de varios experimentos para estudiar los efectos de cambios de estímulos, por ejemplo de la temperatura, en esos materiales.

Las “transformaciones martensíticas”, llamadas así en honor al científico Adolf Martens, consisten en cambios de las estructuras de los materiales con memoria de forma. “Estas transformaciones se caracterizan por desplazamientos atómicos coordinados entre sí y de magnitud mucho menor que las distancias que separan a los átomos habitualmente en un sólido”, define Marcos Sade, que se recibió de Licenciado en Física en 1980 y se doctoró en Física en 1985 en el Instituto Balseiro, bajo la dirección de tesis de Manfred Ahlers, con una tesis sobre el estudio de la fatiga asociada a este tipo transformaciones en aleaciones de cobre.

Esas transformaciones tienen lugar entre dos fases: la fase austenita, cuando el material se encuentra a una mayor temperatura, y la fase martensita, cuando se expone el material a una menor temperatura. Esa transformación también se puede lograr aplicando una fuerza. En otras palabras, un material hecho con una aleación metálica y que se encuentra en una fase o estructura llamada austenita  se puede “deformar”, convirtiéndose en otra fase llamada martensita, alterando su forma de modo temporario, para luego retornar a su estructura original, austenita, mediante un simple calentamiento.

“La temperatura a la cual se forma la martensita a partir de la austenita depende de la composición del material y de los tratamientos termomecánicos que haya sufrido. Algo similar ocurre con la temperatura de la transformación inversa, o retransformación, es decir aquella a la cual la martensita transforma a la fase austenita”, describe Sade.

Ante la consulta de por qué es tan interesante estudiar este tipo de materiales, Sade responde que un motivo clave es el trabajo mecánico que se produce cuando un material regresa a su estructura original. “Por dar un ejemplo, se podría calentar un material a una gran distancia mediante el pasaje de una corriente eléctrica. Si dicho calentamiento activa o provoca una transformación martensítica, la fuerza realizada podría activar algún mecanismo requerido ya sea para activar una alarma, sustituir a una soldadura, o activar un mecanismo mecánico remoto como desplegar una antena”, cuenta el físico.

Algunas aleaciones con efecto memoria también pueden desplegar el “efecto pseudoelástico o superelástico”, por el cual el material soporta una deformación al aplicarle una fuerza; y al quitar esa fuerza la deformación desaparece, al mejor estilo de la película infantil “Los Increíbles”, donde la madre de una familia de superhéroes utiliza un traje con propiedades superelásticas. En medicina, en la vida real, este tipo de materiales son muy valorados, como por ejemplo en los “stents”, que son dispositivos fabricados por ejemplo con aleaciones de niquel y titanio que se usan en cirugías cardiovasculares.

Ahora bien, en el artículo publicado en la revista “Shape Memory and Superlasticity”, Pelegrina, Yawny y Sade también destacan cómo el fenómeno de la “difusión atómica” en materiales de estado sólido puede afectar las transformaciones de estos materiales. ¿Qué es la “difusión atómica”? En pocas palabras, se le llama así al movimiento y la ubicación de átomos a distancias mayores que una distancia interatómica que resulta en una reubicación en estructuras más estables. Se utiliza para tratar y optimizar de forma térmica, aleaciones que se usan en las industrias automotriz, aeronáutica, ferroviaria, naviera, que se basan en los metales.

Las transformaciones martensíticas, es decir, el efecto memoria de forma y también de superelasticidad en este tipo de materiales, se producen sin la participación de los fenómenos de difusión. Sin embargo, las investigaciones realizadas tanto por Delaey y Van Humbeeck, y también por Ahlers y sus discípulos en el Centro Atómico Bariloche, demostraron que las estructuras que participan de ese tipo de transformaciones y del efecto memoria de forma pueden sufrir de todas maneras los efectos de los fenómenos difusivos. Esto altera las propiedades del material y puede complicar las transformaciones posteriores.

“Acá es donde aparece un desafío que es típico en la ciencia de los materiales: no basta con optimizar las propiedades de los materiales, sino que hay que garantizar que dichas propiedades sean estables al menos durante la vida útil de cualquier dispositivo que haga uso de ellos. Surge así la importancia de entender y controlar aquellos fenómenos difusivos que tienen lugar en las estructuras entre las cuales tienen lugar las transformaciones martensíticas que controlan al efecto memoria y a la pseudoelasticidad”, explica Sade.

Un ejemplo típico de la lucha por mantener las propiedades de un metal contra potenciales procesos de degradación está dado por la corrosión, menciona el científico.  Y cuenta que algunos metales en contacto con el aire  y la humedad quieren evolucionar hacia estados que los terminan inutilizando, de ahí que al buscar un desarrollo tecnológico dado, “hay que pensar también durante cuánto tiempo se pretende utilizarlo y qué procesos hay que combatir para que el metal sea útil durante un tiempo considerable”, dice el físico.

Uno de los fenómenos de difusión que más impacta en las aleaciones de cobre con memoria de forma se llama “estabilización de la martensita”. En pocas palabras, ocurre cuando por una especie de acostumbramiento del material a la estructura martensítica,  se necesita mayor temperatura para pasar a la fase austenita.

“Las consecuencias de este fenómeno saltan fácilmente a la vista: supongamos que se prepara un dispositivo que se debe activar cuando el material alcance la temperatura de retransformación, digamos 40 ^oC. Si la estabilización actúa y traslada o eleva dicha temperatura por ejemplo a 120 ^oC, no habría forma de diseñar una aplicación confiable. Esta estabilización ha generado un enorme interés y gran cantidad de esfuerzo para entender el fenómeno con la intención de luego controlarlo”, detalla Sade.

Una gran controversia sobre el rol de la difusión en el fenómeno de estabilización de la martensita se dio en la década de 1980. Había dos posturas con explicaciones distintas sobre cómo la difusión provocaba ese fenómeno. Finalmente, se consolidó la explicación liderada por Manfred Ahlers y su tesista de doctorado, Adela Abu Arab, con investigaciones realizadas en el Centro Atómico Bariloche y el Instituto Balseiro.

“En la propuesta de Manfred Ahlers y  Adela Abu Arab, se pudo explicar el fenómeno de la estabilización mediante intercambios de átomos en la martensita por la difusión atómica de la siguiente manera: A mayor comodidad de los átomos en la martensita estabilizada, más complicado es que el material retransforme por calentamiento a la fase austenita”, dice Sade. Y agrega: “Cada fase o estructura presente, si tiene la posibilidad de evolucionar, lo hará en busca de su equilibrio, y es esta evolución la que termina afectando la transición a la otra fase”.

En el citado paper premiado, Pelegrina, Yawny y Sade reportan asimismo los resultados de su investigación en torno a tres efectos de la difusión térmica en las fases austenita y martensita de dos tipos de materiales inteligentes hechos en base a aleaciones de cobre: con zinc y alumnio; o con aluminio y berilio.

Para ello, no sólo usaron un modelo computacional alterando distintas configuraciones del orden atómico sino que también obtuvieron datos a partir de experimentos y observaciones de las estructuras atómicas de estos materiales en el laboratorio. En su investigación, se usaron equipos de ensayos mecánicos a temperaturas controladas aprovechando el hecho de que las transformaciones martensíticas pueden obtenerse aplicando fuerzas mecánicas sobre el material.

Por su artículo o paper, en el que reportaron los resultados de su investigación además de una revisión de la historia de este campo, los autores recibieron un premio de mil dólares a ser utilizado en cualquier producto de la Editorial de la American Society for Metals (ASM International) además del reconocimiento de la comunidad internacional en este campo.

Tanto Pelegrina como Yawny y Sade son egresados de carreras de grado y posgrado del Instituto Balseiro. Jorge Luis Pelegrina obtuvo el título de Licenciado en Física en 1984 y se doctoró también en Física en 1990. Su trabajo de tesis se centró en la estabilidad de fases martensíticas, fue dirigida por el Dr. Ahlers.

Por su parte, Alejandro Yawny se recibió de Ingeniero Nuclear en 1988. Trabajó luego en la División Metalurgia del CAB en el desarrollo de materiales almacenadores de hidrógeno en forma de hidruros. En el año 2000, finalizó su tesis de doctorado en Ingeniería Nuclear, trabajando en la División Física de Metales en temas relacionados con fatiga y aplicaciones de materiales con memoria de forma bajo la dirección de los Dres. Francisco Lovey y Marcos Sade.

Así, si bien a primera vista los materiales que después de ser deformados regresan a su estructura original parecen  ser de ciencia ficción, y que lejos se está aún de robots al estilo “Terminator”, la ciencia avanza en explicar y controlar las condiciones de los materiales cambiadores con memoria de forma. En la actualidad ya se utilizan en dispositivos médicos, odontológicos y múltiples dispositivos diseñados con física e ingeniería para ser utilizados en la Tierra, en el espacio y hasta en otros planetas, como con los rovers en Marte. Y queda aún mucho por descubrir.

*Los invitamos si desean a leer una versión abreviada de esta nota, que fue enviada a medios de comunicación y que se puede leer en este link.

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Por Laura García Oviedo

Crédito imágenes: 

*Apertura: Laura García Oviedo

*Fotos 2 y 3 en orden descendente: Gentileza Marcos Sade

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San Carlos de Bariloche, 02/07/2019
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