Budeme používat magnetické svaly?

Výhodou magnetické tvarové paměti – tedy obnovení původního tvaru materiálu působením magnetického pole – je rychlá odezva a bezkontaktní aktivace na dálku. Jedno z využití materiálu pak může být něco jako „magnetický sval“ v zařízeních inspirovaných přírodou.

Tvarová paměť je relativně známý jev, zkoumaný již více než 70 let. Nejtypičtějším materiálem je slitina niklu a titanu a oblíbenou ukázkou jevu je deformace drátku nebo tyče, které po zahřátí nabudou znovu originální tvar (obr. 1). Dobrá biokompatibilita a výjimečné mechanické vlastnosti spojené s tvarovou pamětí přispěly k tomu, že slitina Ni- Ti je poměrně hojně využívána v medicínských aplikacích, jako jsou např. kardiovaskulárních stenty, kloubní implantáty nebo i zubní rovnátka.

Typická demonstrace jevu tvarové paměti – původní tvar deformovaného drátku je obnoven ohřevem. Při jevu magnetické tvarové paměti je obnova anebo změna tvaru vyvolána magnetickým polem.

Klíčem k tvarové paměti je tzv. martensitická transformace. Výsledkem transformace je struktura tvořená různě orientovanými variantami martensitu. Tyto varianty jsou odděleny hranicí dvojčatění (viz rámeček Martensitická transformace a dvojčatění).

Hranicí dvojčatění lze snadno pohybovat. Pohyb se děje jemným posunem atomů podél jedné atomové roviny (obr. 2). V důsledku toho lze mechanickým napětím poměrně lehce překlápět mezi variantami martensitu – stlačováním, roztahováním anebo ohybem materiálu. Např. varianta stlačovaná podél dlouhé osy mřížky není energeticky výhodná a je nahrazena variantou s krátkou osou mřížky podél tlaku. Materiál se tedy přizpůsobí vnějšímu namáhání a deformuje se, např. se ohne drátek. Důležité je, že toto „překlápění“ mezi martensitickými variantami je vratné, a kromě změny orientace nijak nemění krystalovou mřížku. To je v silném kontrastu s běžnou plastickou deformací v kovech a kovových slitinách, která je spojena se vznikem a hromaděním nevratných poškození.

Pohyb hranice dvojčatění posunem atomových rovin (nahoře) a vyplývající „překlápění“ mezi martensitickými variantami (dole stejný obrázek, ale navíc s vyznačenými variantami martensitu).

Původní tvar deformovaného martensitu získáváme ohřevem nad transformační teplotu. Deformovaný martensit přechází do austenitu s kubickou mřížkou, kde jsou pozice všech atomů jednoznačně určeny. Všechny atomy se tedy vrátí „na svá místa“ a původní tvar materiálu se obnoví: tento jev se nazývá tvarová paměť (obr. 3).