Samochody same będą się naprawiać? Ten metal potrafi "magiczne" rzeczy

Nitinol to niepozorny metal będący stopem niklu i tytanu w proporcjach zbliżonych do pół na pół.

Nitinol jest bardzo lekki i wytrzymały, przewodzi prąd i jest kilkukrotnie bardziej elastyczny, niż stal a dzięki powstawaniu warstwy tlenków tytanu na wierzchu pozostaje obojętny chemicznie. Jednak cechą, która sprawiła, że stał się sławny i pożądany jest tak zwana pamięć kształtu.

Chodzi o to, że jeśli nitinol zostanie w określonej temperaturze ukształtowany w jakiś sposób, po ochłodzeniu "zapamiętuje" nadany mu kształt. Nawet jeżeli teraz całkowicie zdeformujemy nasz kawałek metalu, wystarczy podgrzać go do pewnego progu, żeby samoczynnie i bardzo szybko powrócił do swojej poprzedniej formy.

Do wytłumaczenia tej magicznej z pozoru właściwości potrzebujemy pojęcia przemiany martenzytycznej. Zachodzi ona w ciałach stałych podczas zmian temperatury i polega na przebudowie struktury krystalicznej, czyli sposobu, w jaki ułożone są atomy materiału. Nie ma tu żadnych zmian chemicznych, nie zmienia się skład, nie pojawiają nowe związki czy pierwiastki, a jednak materiał w znaczący sposób zmienia swoje właściwości.

To, co dzieje się z nitinolem to przebudowa struktury materiału podobna do hartowania stali, lecz zachodząca w znacznie niższych temperaturach i przede wszystkim, w pełni odwracalna.

Niezwykłe możliwości nitinolu sprawiają, że ma on tysiące zastosowań. Jako pierwsza została wykorzystana jego hiperelastyczność, dzięki której doskonale nadał się do produkcji stentów - malutkich rurek z metalowej siatki, wszczepianych do wnętrza naczyń krwionośnych, mających utrzymać ich drożność. Nitinol fantastycznie sprawdził się też jako materiał na… oprawki okularów.

Nitinolowe mikro-siłowniki trafiają też wszędzie tam, gdzie tradycyjny siłownik jest zbyt duży, zbyt ciężki, zbyt energochłonny lub generuje zbyt dużo ciepła. Tak dzieje się na przykład w przypadku pomp insulinowych albo w autofokusie lub optycznej stabilizacji obrazu w aparatach smartfonów.

Jednak wynalazcy nie ograniczają się do skali mikro, jeśli chodzi o wykorzystanie sił, jakie może generować wracający do pierwotnego stanu nitinol. Powstało kilka niezwykle pomysłowych koncepcji silników działających dzięki reakcji stopu na różnicę temperatur.

To zadziwiające, ale przy odpowiednio dobranym punkcie przemiany fazowej wystarczy niewielka różnica między nagrzaną słońcem wodą a chłodniejszym powietrzem, żeby uruchomić nitinolową pompę, która będzie na przykład nawadniała pola bez konieczności zewnętrznego zasilania.

Oczywiście, najmocniej na wyobraźnię działa pomysł wykorzystania nitinolu do budowy urządzeń i pojazdów, które będą mogły się same naprawiać. Nitinolowy rower mógłby być praktycznie niezniszczalny, a zastosowanie w samochodach chociażby zderzaków z tego stopu pozwoliłoby dramatycznie obniżyć koszty i uprościć serwisowanie.

Tylko, czy jesteśmy w stanie wyprodukować odpowiednio dużo nitinolu? I skąd się on w ogóle wziął?

Samoczynny powrót nitinolu do wcześniejszego kształtu wygląda niczym magia albo coś rodem z filmów sci-fi. Nic więc dziwnego, że pojawiły się teorie o nieziemskim pochodzeniu tego materiału.

Prawda jest tylko trochę mniej niezwykła. Otóż nitinol został opracowany 1959 r. przez Williama Buehler i Fredericka Wanga, pracujących w Naval Ordnance Laboratory. Obaj naukowcy mieli za zadanie opracowanie nowych materiałów służących do wykonania osłon aerodynamicznych pocisków balistycznych - chodziło o to, żeby były one lżejsze, a przy tym wytrzymalsze zarówno mechanicznie, jak i na wysoką temperaturę powstającą podczas ponownego wejścia w atmosferę.

Jeden ze stopów będących wynikiem ich prac został zaprezentowany podczas zebrania zespołu ośrodka badawczego. Cienka próbka materiału, poskładana w harmonijkę, była przez uczestników spotkania wyginana i odkształcana - jak każda rzecz, którą puści się podczas prezentacji w ręce publiczności. Jednak kiedy jeden z nich, najwyraźniej znudzony bardziej niż pozostali, podgrzał metal płomieniem zapalniczki, ten w zaskakujący sposób wrócił do pierwotnego kształtu.

Również długi czas, jaki upłynął od chwili wynalezienia nitinolu do jego choć trochę szerszego zastosowania w różnych gałęziach przemysłu i nauki nie wynikał z problemów ze zrozumieniem technologii "obcych". Chodziło, zdecydowanie bardziej przyziemnie, o pieniądze.

Nitinol wymaga bardzo wysokiej precyzji w mierzeniu ilości łączonych składników i szalenie łatwo ulega zanieczyszczeniu, wymaga więc zastosowania niezwykle drogich technik topienia łukiem elektrycznym albo zmiennym polem magnetycznym w warunkach wysokiej próżni.

Dziś, dzięki postępowi technologicznemu, jesteśmy w stanie wytwarzać nitinol na tyle tanio, że przestał być rzadkością i kuriozum, a stał się stosunkowo powszechnym, choć wciąż bardzo drogim materiałem. Na drodze do szerszego zastosowania metalu z pamięcią stoją jednak zarówno wysokie koszty wytwarzania, jak i słaba podatność na spawanie.

Wygląda na to, że na samoleczące się samochody będziemy musieli poczekać, aż postęp technologiczny rozwiąże i ten problem. Szukając pozytywów - "pan Zenek" z warsztatu jeszcze długo nie będzie musiał się martwić o brak zajęcia.