Vật liệu thông minh nitinol
1. Vật liệu thông minh
Khi nói đến những vật liệu sử dụng trong khoa học kỹ thuật, người ta thường nghĩ đến những tính chất cơ lý hóa của chúng như khối lượng riêng, độ cứng, độ đàn hồi, khả năng chống ăn mòn v.v… Các thông số của vật liệu có được như thế nào thì khi thiết kế sử dụng phải luôn luôn tuân thủ, không được vượt quá giới hạn.
Bản thân vật liệu cũng rất thụ động, luôn âm thầm chịu đựng những điều kiện áp đặt, chúng chẳng bao giờ biết chủ động đối phó với tình thế. Người ta gọi chung đó là vật liệu “câm lặng”.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật bắt đầu từ giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học chú ý đến việc chế tạo ra các loại vật liệu không câm nữa mà biết cảm nhận, suy nghĩ, ứng phó kịp thời v.v… gọi là vật liệu thông minh. Chính động vật, thực vật trong tự nhiên đã biết sử dụng rất nhiều vật liệu thông minh. Da con tắc kè biết cách thay đổi màu sắc cho phù hợp nôi tâm và ngoại cảnh, xương con vật nếu không may bị gãy, dập thì biết cách tự sửa chữa cho liền lại, chiếc lá cây biết quay về phía ánh nắng mặt trời sao cho tạo ra được nhiều lục diệp tố v.v… Vật liệu phỏng sinh là một xu hướng nổi bật của chế tạo vật liệu thông minh hiện nay.
Từ khi có công nghệ nano, con người tìm cách điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử để tạo ra vật liệu thông minh. Đã có các loại vải màu sắc thay đổi lấp lánh theo góc nhìn làm tăng vẻ huyền ảo cho nghệ sỹ biểu diễn. Đã có các lớp phủ lên kính trời âm u nhìn qua thấy trong sáng, trời nắng gắt lại thấy râm mát dễ chịu v.v…
Trong các loại vật liệu thông minh đang được sử dụng nhiều hiện nay, có một loại vật liệu thông minh phổ biến nhất đặc biệt là trong y tế, đó là hợp kim Nitinol.
Ta sẽ tìm hiểu tại sao hợp kim Nitinol lại có những tính chất rất thông minh và một số ứng dụng.
2. Hợp kim nitinol
Nitinol là hợp kim của niken và titan với thành phần Ni và Ti gần bằng nhau. Ở tên gọi Nitinol có hai nguyên tố Ni và Ti ở đầu và tiếp theo là chữ NOL đó là nơi đã tìm ra và nghiên cứu được các tính chất đặc biệt của hợp kim này: Naval Ordnance Labortary (Phòng thí nghiệm khí tài của Hải quân). Các tính chất đặc biệt của Nitinol liên quan đến hiện tượng chuyển pha mactensit, một kiểu chuyển pha rắn-rắn rất hay gặp khi tôi luyện thép.
Ở nhiệt độ cao, Nitinol có cấu trúc lập phương (kiểu CICs) thường gọi đó là pha austenit. Khi hạ thấp nhiệt độ Nitinol chuyển rất nhanh sang cấu trúc một xiên (còn gọi là đơn tà – monoclinic), đây là cấu trúc của pha mactensit. Xét chi tiết ra đối với cả khối Nitinol thì nhiệt độ bắt đầu từ austenit sang mactensit thường ký hiệu là Ms, nhiệt độ mà cả khối đã hoàn toàn chuyển sang pha mactensit ký hiệu là Mf (s là từ bắt đầu start: bắt đầu, f là từ finish: kết thúc), hai nhiệt độ này rất gần nhau nên xem sự chuyển pha là tức thời.
Khi Nitinol do làm lạnh đã chuyển sang pha mactensit, nếu làm nóng lên nó lại chuyển sang pha austenit, cũng bắt đầu chuyển pha ở nhiệt độ A svà kết thúc ở nhiệt độ A f.A svà A frất gần nhau nên sự chuyển pha này cũng xem là tức thời.
Chú ý rằng hai pha austenit và mactensit có những tính chất rất đặc biệt. Khi chuyển pha, thí dụ từ austenit sang mactensit, các nguyên tử chỉ dịch chuyển đồng loạt theo một khoảng cách rất nhỏ để từ cấu trúc lập phương sang cấu trúc một xiên, không làm ảnh hưởng đến thể tích, hình dạng bên ngoài. Nhưng một khi đã ở cấu trúc mactensit hợp kim Nitinol rất dễ bị biến dạng theo cơ chế sinh đôi (twined), tức là dịch chuyển nhẹ cả mặt nguyên tử để trong cấu trúc có đối xứng gương chứ không phải dịch chuyển lớn các nguyên tử khuếch tán. Với cấu trúc này mactensit có thể biến dạng đàn hồi đến 8-10% trong lúc đó ở cấu trúc austenic biến dạng đàn hồi chỉ vào cỡ dưới 1%. Nếu ban đầu Nitinol ở pha austenit (nhiệt độ cao) có một hình dạng nào đấy ta làm lạnh để Nitinol chuyển sang pha mactensit rồi làm biến dạng tùy ý (trong giới hạn 8-10%), khi nâng cao nhiệt độ để chuyển trở lại sang pha austenit thì Nitinol hoàn toàn trở lại hình dạng ban đầu. Đó là hiệu ứng nhớ hình (shape memory effect) được ứng dụng rất rộng rãi.
Một đặc điểm khác cũng có ứng dụng phổ biến là tính chất siêu đàn hồi của Nitinol. Tính chất này cũng liên quan chặt chẽ đến chuyển pha mactensit do biến dạng. Khi ở nhiệt độ cao Nitinol ở pha austenit nếu tác dụng lực làm cho nitinol biến dạng đàn hồi đến một lúc, Nitinol sẽ chuyển sang pha mactensit và ở pha này nó có thể biến dạng đàn hồi rất lớn như vậy nên gọi là siêu đàn hồi. Tuy nhiên thực chất ở đây là có sự chuyển pha trong quá trình biến dạng nên nói cho chính xác đó là giả đàn hồi (pseudo elastic). Hiệu ứng nhớ hình và tính chất biến dạng siêu đàn hồi làm cho nitinol trở thành vật liệu thông minh, tự mình có những hành động cần thiết để giải quyết tình hình chứ không phải là câm lặng như nhiều vật liệu thông thường khác.
Trước khi nói về những thí dụ ứng vật liệu thông minh Nitinol ta chú ý rằng Nitinol thường có tỷ lệ 50 đến 51 phần trăm nguyên tử niken, tức là cỡ 55 đến 56 phần trăm trọng lượng. Sự thay đổi chút ít thành phần sẽ dẫn đến sự thay đổi khá nhiều các tính chất, đặc biệt là nhiệt độ chuyển pha.
