La memoria de forma es un fenómeno que ocurre gracias a cambios reversibles en la estructura interna del material y puede encontrarse principalmente en determinadas aleaciones metálicas y en algunos polímeros. Entre las aleaciones con memoria de forma, la más conocida es el nitinol, una combinación aproximadamente equiatómica de níquel y titanio. Su nombre procede de Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory. El desarrollo del nitinol tuvo lugar en el Naval Ordnance Laboratory de Estados Unidos a finales de la década de 1950. El investigador William J. Buehler y su equipo estudiaban aleaciones de níquel y titanio para aplicaciones militares cuando observaron que una muestra deformada podía recuperar su forma al calentarse. Este descubrimiento impulsó el desarrollo de las aleaciones con memoria de forma y abrió un campo completamente nuevo en la ciencia de los materiales.
El secreto de esta propiedad se encuentra en una transformación de fase sólida conocida como transformación martensítica. A diferencia de lo que ocurre cuando un metal se funde, aquí los átomos no necesitan difundirse grandes distancias; realizan pequeños desplazamientos colectivos que modifican la estructura cristalina. A temperaturas relativamente altas, el material se encuentra en una fase denominada austenita. Al enfriarse por debajo de determinadas temperaturas de transformación, pasa a la fase martensítica, en la que puede deformarse con mayor facilidad. Cuando la aleación se deforma en este estado, la estructura interna se reorganiza. Si posteriormente se calienta por encima de la temperatura de transformación correspondiente, la martensita se transforma nuevamente en austenita y el material recupera la forma que había sido programada.
Existen dos comportamientos especialmente importantes. El primero es el efecto de memoria de forma propiamente dicho: el material se deforma a una temperatura determinada, generalmente en el estado martensítico, y recupera su forma al calentarse. El segundo es la superelasticidad o pseudoelasticidad, que aparece cuando la aleación se encuentra a una temperatura adecuada, normalmente por encima de la temperatura de transformación martensítica. En este caso, una carga puede producir una deformación considerable y, al retirarla, el material recupera prácticamente de inmediato su forma original. En ciertas condiciones también es posible entrenar una aleación para que presente un efecto de memoria de doble sentido, de manera que adopte una forma a baja temperatura y otra a alta temperatura.
El nitinol destaca por su capacidad para soportar deformaciones recuperables muy superiores a las de muchos metales convencionales. En condiciones adecuadas, puede presentar una recuperación superelástica del orden de 8%, aunque el valor exacto depende de la composición, el tratamiento térmico, la temperatura y las condiciones de carga. Los metales convencionales suelen admitir deformaciones elásticas mucho menores antes de comenzar a deformarse permanentemente.
Además del nitinol, existen otras familias de aleaciones con memoria de forma, entre ellas las basadas en cobre-aluminio-níquel y cobre-zinc-aluminio. Estas pueden ofrecer ventajas de costo o determinadas características de fabricación, aunque el nitinol mantiene una posición especialmente importante en aplicaciones donde se requieren buena resistencia a la corrosión y compatibilidad con el organismo.
La memoria de forma tampoco es exclusiva de los metales. Los polímeros con memoria de forma funcionan mediante un mecanismo diferente. Estos materiales contienen estructuras moleculares capaces de fijar temporalmente una forma y recuperar otra cuando reciben un estímulo, normalmente calor. En muchos casos interviene una transición vítrea o una transición de fusión que permite que ciertas partes de la estructura molecular se vuelvan más flexibles. Después de ser deformado y enfriado, el polímero conserva temporalmente la nueva forma; al calentarlo de nuevo, las fuerzas internas asociadas con su estructura molecular favorecen el regreso a la forma programada. Una ventaja importante es que estos polímeros pueden alcanzar deformaciones mucho mayores que las aleaciones metálicas, incluso de varios cientos por ciento, aunque generalmente producen fuerzas de recuperación menores.
Esta capacidad ha dado lugar a numerosas aplicaciones. En la ortodoncia, los alambres de nitinol pueden proporcionar fuerzas relativamente constantes durante determinados movimientos dentales y, debido a sus propiedades termomecánicas, pueden funcionar de manera particularmente útil en el ambiente de la boca.
En la industria también se han desarrollado acoplamientos de tuberías que aprovechan la contracción de determinadas aleaciones con memoria de forma para realizar uniones resistentes. En el ámbito aeroespacial, estas tecnologías han sido especialmente interesantes porque permiten realizar mecanismos compactos y confiables. También se emplean aleaciones con memoria de forma en actuadores, dispositivos robóticos, sistemas de control y mecanismos que deben cambiar de posición sin recurrir a motores convencionales.
Una de las áreas más llamativas es la de los materiales con memoria de forma múltiple. Algunos polímeros y sistemas compuestos pueden programarse para recuperar diferentes configuraciones de manera secuencial al atravesar distintas temperaturas de transición. Esto permite diseñar estructuras que no simplemente pasan de una forma a otra, sino que pueden experimentar varias transformaciones sucesivas. Se trata de una línea de investigación prometedora para dispositivos médicos, robótica blanda y estructuras desplegables.
También se han desarrollado aplicaciones aeroespaciales sorprendentes. La NASA ha investigado y utilizado tecnologías basadas en aleaciones con memoria de forma y ha probado ruedas metálicas flexibles para vehículos planetarios, como las ruedas de malla desarrolladas para la exploración lunar y marciana. Estas tecnologías buscan que la rueda pueda deformarse al encontrarse con obstáculos y recuperar su geometría, reduciendo el riesgo de daños asociado con las ruedas rígidas tradicionales.
Otra área de investigación son los textiles inteligentes, en los que fibras o estructuras activas pueden modificar su geometría o propiedades frente a cambios de temperatura. Por ejemplo, se han desarrollado conceptos de tejidos capaces de modificar su ventilación o aislamiento mediante estructuras que se abren o cierran.
La memoria de forma también resulta especialmente interesante para fabricar actuadores compactos. Un alambre de nitinol puede funcionar como una especie de músculo artificial: cuando cambia su temperatura, se contrae o recupera una forma determinada y puede generar una fuerza considerable para su tamaño. El calentamiento puede realizarse mediante una fuente externa o, en muchos dispositivos, haciendo pasar una corriente eléctrica por el propio alambre. La velocidad de respuesta depende de factores como el diámetro del alambre, la corriente, la temperatura ambiente y el sistema de enfriamiento. El atractivo de la memoria de forma reside precisamente en que puede ayudar a realizar funciones mecánicas sin necesidad de los numerosos componentes de un mecanismo convencional. Un cambio aparentemente diminuto en la organización de los átomos puede producir un efecto visible a escala humana.
La combinación de estructura, movimiento y funcionalidad explica por qué las aleaciones y polímeros con memoria de forma son objeto de investigación e inspiran aplicaciones que, hace apenas unas décadas, parecían propias de la ciencia ficción.
Referencias:
- Efecto térmico de memoria (metales) – Wikipedia, la enciclopedia libre
- Full article: Superelastic 3D printed nitinol lattices and wovens lead to dramatic variations of mechanical properties by design
- Nickel titanium – Wikipedia
- Shape-shifting fiber can produce morphing fabrics | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
- Research Status and Potential Direction for Thermoplastic Shape Memory Polymers and Composites: A Review
- Shape-Memory Polymeric Artificial Muscles: Mechanisms, Applications and Challenges
- Shape-memory polymer – Wikipedia