Když má kov pamatováka aneb Češi na špici ve výzkumu slitin s tvarovou pamětí

I díky nim nespadne letadlo nebo se neucpe céva. Materiály s tvarovou pamětí se využívají v mnoha oborech a pro různé aplikace se hodí slitiny s odlišnými vlastnostmi. Jejich testování se věnuje Hanuš Seiner z Ústavu termomechaniky AV ČR. Jak se zkoumá elasticita kovů za pomoci ultrazvuku a dokážou kovy s tvarovou pamětí také zapomínat? Přečtěte si v A / Magazínu, oficiálním čtvrtletníku Akademie věd ČR.

Článek si můžete poslechnout v audiopodobě:

Načetli: Jitka Kostelníková a Justin Svoboda // Edit: Jitka Kostelníková // Epizoda vznikla s podporou Strategie AV21.

Nikdo z nás nechce, aby s ním spadlo letadlo. Stejně jako každý jiný dopravní prostředek je třeba jej nějak ovládat. Jedním ze zásadních prvků, jenž k tomu slouží, je hydraulika: pojem, který zazní ve fyzice již v sedmé třídě na základní škole, ale stejně mu neporozumějí všichni. Zjednodušeně řečeno, hydraulická zařízení s něčím pohybují a místo pák, táhel či lan k tomu používají trubky s kapalinou. Kapalina je v soustavě trubek při tom pod velkým tlakem, ale protože je v podstatě nestlačitelná, prostě jej předá dál až do cílového místa, kde je potřeba vykonat práci. Dá se tak manipulovat s extrémně těžkými břemeny nebo součástkami, na něž působí ohromný protitlak – například s klapkami křídel dopravních letadel.

Právě u nich se hydraulika používá opakovaně, s velkým zatížením, velkými změnami teplot a za silných vibrací. Vždyť v letové hladině je až minus 60 stupňů Celsia, zatímco v cílové destinaci klidně plus 40. Během letu dochází k vibracím, což zná každý, kdo někdy letadlem cestoval – k hladkému přesunu to má daleko. Pořád je to takový „drncající autobus ve vzduchu“. Také podvozek se řídí pomocí soustavy hydraulických trubek, ale nejen ten. Zkrátka to poslední, co by cestující chtěl, je, aby spoje těchto trubek netěsnily nebo selhaly.

Hanuš Seiner z Ústavu termomechaniky AV ČR

Při konstrukci letadla se proto spoje na hydraulice často nesvařují. Klasické metody – objímky nebo právě svařování – jsou pracné, těžkopádné a mohly by vést k netěsnostem. Musí se na to jinak. Používají se slitiny s tvarovou pamětí.

Pamětník z šedesátek
Takzvaný nitinol je známý od šedesátých let minulého století. Jde o speciální slitinu niklu a titanu. Při výrobě součástky se tento materiál dokáže při vysoké teplotě „naučit“, jaký tvar má zaujmout, a po zchladnutí lze kov vytvarovat do odlišné podoby. Jakmile se součástce dodá správný impulz, zase se navrátí do zapamatovaného tvaru. Této vlastnosti využívají kroužky ze slitiny na bázi nitinolu, kterými se spojují trubky v hydraulice letadel.

Snadno se s nimi pracuje, jsou lehčí, odolnější, mají větší životnost, nekorodují a na rozdíl od svařování nemění mechanické okolí svaru. Na trubky se snadno nasadí, když jsou v deformovaném stavu. Zahřátím (například horkým vzduchem) se aktivují a pevně obě trubky sevřou, čímž vytvoří těsné a pevné spojení, které odolá vibracím, teplotním výkyvům i vysokým tlakům.

Množnosti využití podobných slitin jsou ale mnohem širší než jen v leteckém průmyslu, leč nevyužívá se jich v široké praxi. Jednak jsou drahé, jednak je náročné je vyrobit. A pak… nevydrží vždy to, co je potřeba. Proto je nutné jim lépe porozumět, pochopit, co se děje v krystalové mřížce kovu při „učení“, návratu, ale i „zapomínání“.

Jak to vlastně funguje?
Tvarovou paměť nemají pouze některé kovy, touto vlastností disponují i bílkoviny nebo obyčejný papír. Můžete ho zmuchlat nebo poskládat jako origami, a když ho vložíte do vody, vlákna nabobtnají a papír se narovná. „U kovů takovým impulzem pro změnu tvaru může být tlak nebo magnetické pole, ale především je to teplota,“ říká Hanuš Seiner z Ústavu termomechaniky AV ČR. Za materiálovou paměť slitin může změna ve struktuře krystalické mřížky. Za nízkých teplot zaujímá jinou konfiguraci (tzv. martenzit) než za teploty vyšší (austenit). Co se v takovém okamžiku děje? „Můžeme si to představit trochu jako stojící řadu dominových kostek. Při správném šťouchnutí popadají daným směrem a změní se výška i délka celé řady. Navíc je můžete překlápět zpět nebo opačným směrem,“ vysvětluje Hanuš Seiner.

Deformace u klasických materiálů při velikém zatížení činí přibližně jedno procento. „Dominový“ efekt ale pomůže slitině s tvarovou pamětí změnit délku třeba o pětinu. Záleží na mikrostruktuře. Pak přichází na řadu zapomínání.

Někdy se pro aplikaci hodí i materiál, který se sice dokáže změnit jen jednou, ale deformuje se ve velkém rozsahu. Ústav termomechaniky AV ČR spolupracoval například s Izraelským technologickým institutem Technion, kde probíhal vývoj bezpečnostních pásů pro automobilový průmysl. Při nárazu automobilu systém využíval velkou vratnou deformaci slitiny s tvarovou pamětí a tlumil energii nárazu. Součástka zafungovala v pravou chvíli jednou a pak „zapomněla“. Následně by se musela v servisu nastavit pro nové použití, tedy znovu „naprogramovat“.

Opačným příkladem jsou výztuhy v cévách, v nichž stenty potřebují vydržet statisíce, spíše miliony cyklů. Jde o další z používaných aplikací již zmíněného nitinolu. Složený stent lze užšími cévami dopravit na místo a teprve tam jej roztáhnout do podoby, kterou si kov pamatuje, čímž vyztuží cévu či tepnu v požadované tloušťce.

Pro různé aplikace se tak hodí různě připravené slitiny s odlišnými vlastnostmi. Jejich vývoji se věnuje mnoho výzkumných institucí a univerzit po celém světě. Když o nich ale potřebují zjistit více, často narazí na vlastní technické možnosti a obracejí se na pražské kolegy. Právě v české metropoli se totiž umějí podívat zmíněným materiálům na „zoubek“ lépe než kdokoli jiný.

Laser a (ultra)zvuk
„Když to hodně zjednodušíme, zkoumáme především elasticitu kovů,“ popisuje Hanuš Seiner. Že jsou kovy elastické, může laikovi znít trochu podivně, ale zase tak zvláštní to není – příkladem je třeba kmitání struny na kytaře, jemné ohyby křídel dopravních letadel za letu, odpružení nákladních aut listovými pružinami nebo odraz kladiva od kovadliny. Způsob, jakým vlastnosti slitin zkoumají právě v Ústavu termomechaniky AV ČR, je ale unikátní. Především tím, že mechanické vlastnosti vzorků studují, aniž by se jich vůbec dotkli.

Běžně by si člověk představil nějakou aparaturu, kde se do jednoho konce kovu udeří a na druhém se pozoruje či měří vzniklé kmitání. Jako kdybyste praštili do kusu plechu a ten se tím rozvlnil. „Místo mechanického impulzu používáme laser,“ upřesňuje Hanuš Seiner. Připodobňuje to k blesku za letní bouře. Hrom, který slyšíme, totiž není nic jiného než tlaková vlna, již spustil bleskový výboj tím, že šokově ohřál vzduch kolem sebe. Analogicky fungují i experimenty v laboratoři. Na vzorek vědci nasměrují velice krátký laserový impulz, trvající jen několik nanosekund. Kov se tak v daném místě ohřeje, v důsledku toho se roztáhne a začne se šířit vlna, rozruch.

Podobně, jako když udeříme do zvonu, kov se rozechvěje a vlna se následně šíří vzduchem k našim uším coby zvuk. Uvnitř kovového materiálu se ovšem nejedná jen o akustickou vlnu, může se v něm odehrávat mnoho různých typů vlnění, a navíc najednou. „Objevují se vlny, které zhušťují prostředí nebo materiál smýkají proti sobě. Existují takové, které vytvářejí vlnku na povrchu a mizejí dovnitř. Vznikají i podél rozhraní, pokud je vzorek složený z více prostředí, a tak dále,“ vyjmenovává Hanuš Seiner.

Vlny v materiálech jsou pestřejší a složitější než v běžné akustice. Ale se zvukem mají stále něco společného – jen „rozeznělý“ zkoumaný vzorek neslyšíme, protože je velmi malý, a tak se pohybujeme už v oblasti ultrazvuku (nehledě na to, že by byl zvuk příliš slabý a krátký, než aby ho naše ucho zachytilo).

V ten okamžik nastupuje otázka, jak tedy ultrazvukové vlny měřit. „Když je vyvoláváme bezdotykově laserem, byla by škoda detekovat je nějak hloupě mechanicky, proto to děláme rovněž za pomoci laserů,“ podotýká Hanuš Seiner. Detekce funguje zjednodušeně řečeno asi jako policejní radar, a sice na základě tzv. Dopplerova jevu. A fofr je to obrovský. Jelikož vybuzení vlny se odehrává v řádu nanosekund, i odezva se musí měřit v extrémně rychlém sledu.

Při rozvlnění se materiál hýbe na mikroskopické úrovni. Atomární roviny se smýkají, kloužou, posouvají vůči sobě nebo se vzdalují a přibližují.

Z naměřených dat pak lze pomocí výpočtů vyvozovat různé závěry. Většině měření ale předchází teorie. Jde o hypotézy založené na fyzice pevných látek a realizované numerickou simulací. „A ve chvíli, kdy pomocí našich laserových metod naměříme hodnoty, které jsou v příkrém rozporu s tím, co teorie predikuje – což se nám pohříchu stává docela často –, vynořují se zpětně nové otázky pro samotnou teorii. Musí se přestavět – a to jsou nejzajímavější okamžiky naší práce,“ usmívá se Hanuš Seiner.

Nový přístroj, nové vize
Krystalovou mřížku lze popsat jedenadvaceti elastickými konstantami – elastické chování má tedy přes dvě desítky na sobě nezávislých parametrů. Oddělení ultrazvukových metod, které vede Hanuš Seiner, je jediné na světě, jež dokáže změřit všechny konstanty v tom nejobecnějším smyslu. A navíc, jelikož se dlouhodobě zaměřuje na materiály s tvarovou pamětí, dokáže se podívat do okamžiků těsně před tím, než řada „dominových kostek“ spadne, nebo zjistit, co se děje hned poté.

Přesto vědci neusínají na vavřínech a své metody dále rozvíjejí. „Aktuálně se snažíme zvýšit rozsah teplot, za kterých můžeme vzorky měřit. A chceme je studovat i při změně tlaku nebo magnetického pole při co největším rozsahu,“ přibližuje plány vedoucí opto-akustické laboratoře Pavla Stoklasová.

Brzy jí do výbavy přibude i jeden klenot – 3D tomograf s atomární sondou, přístroj za 150 milionů korun. Zjednodušeně řečeno funguje tak, že se do něj vloží velice tenká jehla (se špičkou o rozměrech v řádu nanometrů) ze zkoumaného materiálu. Ze špičky se pomocí laseru nebo elektrického pole odprašují jednotlivé atomy, které následně zachycuje detektor. „Z toho lze zpětně zrekonstruovat, kde přesně se atomy v původním krystalu nacházely. Jde o metodu, která nám dokáže přiblížit krystalovou mřížku nejdetailněji,“ popisuje vědkyně.

Příležitost zakoupit tak nákladný přístroj se v Česku objeví jednou za dekádu a v tomto případě pomohl velký projekt FerrMion. Bude prvním zařízením svého druhu ve střední a východní Evropě. Sloužit tak bude nejen skupině Hanuše Seinera a řešitelskému týmu projektu FerrMion, počítá se s tím, že jej budou využívat i další (nejen české) výzkumné instituce v rámci otevřené infrastruktury, aby se posílil význam českého materiálového výzkumu.

Budoucnost nejen materiálů
Nové zařízení doplní už tak unikátní vybavení laboratoře o další pohled do nitra kovů a pomůže odhalit nové detaily, zákonitosti nebo chování na nejdetailnější úrovni. Ve vědě totiž lze najít spoustu jevů, které výzkumníci pozorují při experimentech, ale úplně jim nerozumějí na teoretické úrovni. „Pokud chceme, aby něco mohli v praxi používat inženýři, musíme my i oni chápat, jak to funguje,“ vysvětluje vedoucí laboratoře charakterizace materiálů Petr Sedlák.

„Základní myšlenkou je pomocí pokročilých experimentálních metod a matematického modelování vytvořit nástroje, které bude moci jednou převzít průmysl,“ dodává. Jedním z cílů projektu tedy bude vytvořit popisy chování materiálů s tvarovou pamětí, které budou srozumitelné pro inženýrské aplikace. Jelikož jde ale o složité chování, i popisy a možné aplikace budou pravděpodobně poměrně komplikované. Těžko odhadnout, zda se dočkáme výsledku za pět, deset nebo pětadvacet let. Cíl je to ambiciózní. Aktuálně se totiž do opravdu široké praxe dostaly v podstatě jen poměrně jednoduché aplikace slitin na bázi nitinolu – například již zmíněné spoje trubek namísto sváření a stenty neboli výztuhy cév.

„Při pohledu na to, jak bohatě se tyto materiály chovají, se zatím využívají úplně tím nejprimitivnějším způsobem. Možnosti jsou mnohonásobně větší,“ vyzdvihuje potenciál slitin Hanuš Seiner. A má pravdu, představme si třeba stavební konstrukce odolné vůči zemětřesení, roboty s pohyblivými součástmi podobnými svalům, pružné nárazníky aut, ještě chytřejší chytré telefony…

Vedle dokonalejšího porozumění ale hraje roli v širším využití i cena. Koneckonců právě proto je nezbytné poznání rozvíjet, aby se daly paměťové materiály více využívat v praxi. Rozsáhlejší použití samozřejmě produkty zlevňuje. Snad k tomu přispěje i FerrMion pod vedením Hanuše Seinera – nákladný projekt, který českou vědu zvýrazní na mapě světa – a budou sem proudit další a další vzorky kovových materiálů z různých kontinentů. Třeba letadlem, jehož trubky mají namísto svarů kroužky ze slitin s tvarovou pamětí.

Článek vyšel pod názvem Kovoví iluzionisté a ultrazvukové hromobití v A / Magazínu 1/2025:

1/2025 (verze k listování)
1/2025 (verze ke stažení)

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Viktor Černoch, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a všechny fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Pomohou kvantové počítače překonat hranice současné výpočetní technologie?
• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta