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Materiales Inteligentes
Introducción
¿Qué son los materiales inteligentes?
Los materiales inteligentes, activos, o también denominados multifuncionales son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.
Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones múltiples. En este caso las estructuras inteligentes, son por ejemplo aquellas que gracias a la combinación de estos materiales son capaces de autodiagnosticarse y modificarse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado como óptimas o correctas.
Algunos de estos materiales, son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y su comportamiento es muy diverso siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Actualmente, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con propiedades activas predefinidas.
Por ejemplo, hasta hace pocos años todos nos hemos maravillado ante los displays de cristal líquido (LCD) presentes en pantallas planas de ordenador, teléfonos móviles, ..etc. Pero ya ha comenzado su cuenta a tras con la aparición de los OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Juntando tecnología e imaginación, ya se comercializan con estas nuevas pantallas vídeo cámaras (Kodak Easyshare LS633), así como lámparas planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas plásticas de interior de vehículo con luz propia. Siendo imparable el desarrollo de nuevos productos en base a los materiales activos.
¿Cuáles son los materiales inteligentes y cómo funcionan?
A continuación se enumeran agrupados por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes:
Materiales Electro y Magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos, ...), ampliamente empleados en el desarrollo de sensores. También, los nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers) cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales.
Los materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, ..etc. En la actualidad además de los cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son fácilmente incorporados a plásticos y composites.
Los materiales electro- y magnetoreológicos, materiales capaces de alterar su propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos MRF.Materiales Fotoactivos (Eléctroluminiscente, Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes). Son materiales que actúan emitiendo luz. En el caso de los electroluminiscentes cuando son alimentados con impulsos eléctricos emiten luz, los fluorescentes devuelven la luz con mayor intensidad y los fosforescentes, almacenan la energía y la emiten después de cesar la fuente de luz inicial.
Son ya aplicados a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) están siendo combinados en piezas plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten luz propia.Materiales Cromoactivos (Termocrómico, Fotoctrómicos, Piezocrómicos). Son materiales que modifican su color ante cambios de temperatura, luz o presión. Los termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos,..), juguetes (cromos que al frotar muestran una imagen),.. Materiales con Memoria de Forma (aleaciones metálicas SMA y polímeros). Se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético.
Las aleaciones metálicas más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, … En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores, ….como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras,…sistemas de unión y separación controlados,…etc.
En general estos materiales llamados “inteligentes” se solapan y se entremezclan con otras grandes tecnologías como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales.
¿Cuáles son sus aplicaciones actuales?
Al margen de las aplicaciones en sectores como el aeroespacial y militar, los materiales anteriores pueden por sí solos, constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general.
Los sensores y actuadores, a su vez, se pueden combinar e incorporar de modo externo o posterior a la fabricación de un producto de cara a:
Autocontrolarse durante su fabricación, interaccionando con los parámetros de proceso de cara a asegurar un nivel de calidad.Conformar un producto final multifuncional, que pueda ofrecer diferentes respuestas en función de las condiciones previstas.Monitorizar y controlar su estado en funcionamiento.Monitorizar su entorno y dar ordenes a otros sistemas.Autorepararse.
Hoy en día se aplican en sistemas de monitorización y control activo en muchos procesos y en algunos productos. Sin embargo la evolución de estos materiales pueden permitir llegar a ser incorporados durante el proceso de elaboración del producto, de modo integrado, combinando diferentes materiales activos, reduciendo y simplificando los diseños y etapas de fabricación.
Existen otros sensores como la fibra óptica, que permite medir la mayoría de las propiedades físicas: desplazamiento, fuerza, fluidez, temperatura, presión, rotación, acústica, campo magnético, campo eléctrico, radiación, vibración , daños, … También es aplicable al control del fraguado de cemento en piezas prefabricadas, estructuras industriales, grúas, estructuras de máquina herramienta, aerogeneradores,…etc.
En otros sectores, la presencia de los materiales activos en el mundo del envase y el embalaje, permiten garantizar la calidad de los productos y además ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante envases que controlen la duración del contenido (film de polímeros biocidas) o que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc.
En la industria del automóvil, la electrónica y la sensorización van adquiriendo, día a día, una importancia mayor. Sistemas de seguridad y control, que pretenden alcanzar un compromiso entre comodidad y seguridad.
Materiales Inteligentes
Foto y Cromoactivos
Pintuta termocrómicaTermocrómicos Los materiales termocrómicos son materiales que cambian de color con la temperatura, a través de la incorporación de pigmentos termocrómicos cuyos colores cambian a unas temperaturas particulares. Este tipo de pigmentos pueden ser reversibles, es decir, que al calentarse cambian de color y al enfriarse vuelven a su color inicial, o irreversibles, que cambian de color permanentemente con el incremento de temperatura y por tanto no vuelven a su color original cuando disminuye la temperatura.
Existen distintos tipos de materiales termocrómicos: compuestos orgánicos, inorgánicos, polímeros y sol-gel. El mecanismo de funcionamiento de los compuestos orgánicos termocrómicos varía con la estructura molecular. Puede ser debido a un equilibrio entre dos especies moleculares (ej. acido-base), entre dos estereoisomeros o entre estructuras cristalinas.
Los tipos de cristal líquido más importantes para sistemas termocrómicos son los llamados del tipo colesterico, Cristal líquido colestérico utilizado en aplicaciones termocrómicasdonde las moléculas adyacentes están dispuestas de tal modo que forman hélices. El termocromismo resulta de la reflexión selectiva de la luz por el cristal líquido. Con la temperatura varía la longitud de onda de la luz reflejada y por tanto cambia el color3.
Una forma alternativa de inducir el termocromismo es con la reorganización de la estructura molecular de un pigmento, como resultado de un cambio de temperatura, estos se llaman colorantes leuco. Este tipo de moléculas pasan de un estado incoloro (leuco) a un estado colorado con la temperatura.
Este tipo de materiales pueden se pueden diseñar para cambiar de color en un rango de temperaturas desde -25ºC a 66ºC. Colorante leuco que cambia de estructura, y de color según el pH cuyo cambio está inducido por la temperatura.Las espirolactonas son uno de los pigmentos termocrómicos más utilizados, aunque existen otros pigmentos que se han utilizado con este fin. Un precursor incoloro y un revelador con color son disueltos en un disolvente orgánico. Esta solución se microencapsula siendo sólida a temperatura ambiente. Al calentar, el sistema adquiere o pierde color en el punto de fusión de la mezcla.
Muchos metales y compuestos inorgánicos presentan comportamiento termocrómico bien como sólidos o en solución. Si bien, este tipo de materiales termocrómicos el cambio de color suele ocurrir en solución a alta temperatura. A pesar de que el termocromismo ha suscitado gran interés comercial, el mecanismo de funcionamiento no está todavía bien definido y por tanto quedan algunos obstáculos por resolver antes de que este tipo de materiales tengan una acogida duradera en el mercado. Una de las razones por las que los materiales termocrómicos no han sido explotados es que la mayoría de materiales tienen una temperatura de cambio mucho mayor que la temperatura ambiente. Otro inconveniente es la baja resistencia a la luz ultravioleta que presentan este tipo de materiales.
Fotoluminiscentes
Imagen de varias botellas con distintos pigmentos fluorescentes vistos bajo una luz UV. (Foto: Calvin College)Los pigmentos convencionales producen el color selectivamente, reflejando la parte de la luz incidente, absorbiendo el resto en forma de calor. Los pigmentos fluorescentes operan de forma diferente ya que absorbe luz en un rango espectral diferente y emiten luz en otro rango espectral diferente. Los pigmentos fluorescentes producen luz visible o invisible como resultado de una luz incidente de longitud de onda corta (rayos X, rayos UV). Son blancos o de color claro a la luz del día, en cambio irradian un intenso color fluorescente cuando se les expone a una radiación UV, cesando el efecto tan pronto como desaparece la fuente de excitación.
Fosforescentes
La fosforescencia es el fenómeno en el cual ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber energía y almacenarla, para emitirla posteriormente en forma de luz. El mecanismo físico que rige este comportamiento es el mismo que para la fluorescencia, no obstante la principal diferencia con ésta es que hay un retraso temporal entre la absorción y la reemisión de los fotones de energía. En la fosforescencia, las sustancias continúan emitiendo luz durante un tiempo mucho más prolongado, aún después del corte del estímulo que la provoca, ya que la energía absorbida se libera lenta (incluso muchas horas después) y continuamente. Este fenómeno es aprovechado en aplicaciones tales como la pintura de las manecillas de los relojes, o en determinados juguetes que se iluminan en la oscuridad.
Imagen de un pigmento fosforescente (plato de la derecha) y de otro no fosforescente (izquierda) a) con luz y b) en la oscuridad.(Foto:Wikipedia)
Imagen de un hilo fluorescente para la realización de espelobuceo (Foto: espeleosub)
Los colores fluorescentes y fosforescentes son observados significativamente más rápido que los colores convencionales y atraen más la atención que estos. Por ello son de gran utilidad para aplicaciones en las que la visibilidad sea un factor importante, sobre todo en productos de seguridad. Al igual que los termocrómicos, al incorporar estos pigmentos en masa en los procesos de extrusión, los pigmentos han de aguantar las temperaturas y presiones alcanzadas en estos procesos, además de mantener sus propiedades tras su procesado. Otra línea más utilizada consiste en la aplicación de estos pigmentos en el acabado, es decir impregnando o mediante técnicas de recubrimiento directamente sobre el producto ya finalizado.
Materiales inteligentes
Magnetoreológicos
Respuesta de fluidos magnéticos a un campo magnético exterior.Los materiales magnetoreológicos (MM), son materiales que responden a la aplicación de un campo magnético con un cambio en su comportamiento reológico y están formados por partículas magnetizables finamente divididas y suspendidas en un líquido portador, tal como aceite mineral, keroseno, etc. o en un sólido portador con elasticidad suficiente para permitir la orientación de los dipolos ante el campo magnético externo. La respuesta producida en los materiales magnetoreológicos, es el resultado de la polarización inducida en las partículas suspendidas mediante la aplicación de un campo externo. La interacción entre los dipolos inducidos resultantes, obliga a las partículas a formar estructuras en forma de columna, paralelas al campo aplicado.
Este tipo de estructuras forman una estructura similar a una cadena, la cual restringe el movimiento del fluido dando lugar a un incremento en las características viscosas de la suspensión. La energía mecánica necesaria para producir estas estructuras tipo cadena se incrementa conforme se aumenta el campo aplicado, produciéndose un esfuerzo dependiente del campo. En ausencia del campo aplicado, los fluidos magnetoreológicos muestran un comportamiento Newtoniano.
Un fluido se define como una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o esfuerzo cortante sin importar la magnitud de ésta.
También se puede definir como aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. Los principales parámetros que definen un material magnetoreológico (MM) son:
Desde su composición:
La naturaleza de las partículas
La concentración de las partículas
La densidad de las partículas.
La distribución de la forma de las partículas, aspect ratio.
La distribución de tamaño de las partículas. Cuanto más pequeñas se supone se reducen los impactos entre partículas mejorando la durabilidad del fluido.
La naturaleza del fluido portador.
La densidad del fluido portador.
La polaridad del fluido portador.
El carácter oxidante / reductor del fluido portador.
La viscosidad del fluido portador.
Los aditivos adicionales.
La temperatura.
Desde su comportamiento:
Límites de viscosidad alcanzables a temperatura ambiente (23º C).
Velocidad de respuesta a las variaciones del campo magnético.
La resistencia a la fatiga, al desgaste, nº de ciclos. Depende de la temperatura y del campo aplicado. Se debería marcar 23ºC (mantener isotermo), a un campo medio del rango de la aplicación y ver como varía con el tiempo la temperatura. Comprobar la distribución del tamaño de partícula al final y la viscosidad frente a la temperatura.
Aplicaciones de los Fluidos Magnetoreológicos
Los fluidos magnetoreológicos, se están utilizando principalmente en:
Amortiguadores para aplicaciones en automoción. Los amortiguadores pueden llenarse con fluido magnetoreológico en lugar de aceite convencional, actuando el dispositivo con un electroimán, permite que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) pueda ser variada de acuerdo a la preferencia del conductor o de manera dinámica para proporcionar control de estabilidad. El sistema de suspensión activa MagneRide es un sistema que permite de esta manera alterar el factor de amortiguación en respuesta a las condiciones.
Amortiguadores en construcción civil, como pueden ser en puentes, edificios con dispositivos antiseismos, etc. Permiten contrarrestar el movimiento que se produce en un puente debido al viento, como se presenta en la siguiente figura.
El Puente del Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de movimiento magnetoreológicos para contrarrestar rachas de viento.
Ferrofluidos
Respuesta de un ferrofluido al acercar un imán.Los ferrofluidos, son fluidos compuestos por nanopartículas magnéticas coloidales dispersas y estabilizadas en un líquido portador, que presentan al mismo tiempo propiedades de fluido y magnéticas. Este comportamiento es análogo al comportamiento de los iones de una solución salina acuosa paramagnética. Por ejemplo, una solución acuosa de sulfato de cobre o cloruro de manganeso, que le confieren dichas propiedades paramagnéticas a la disolución.
Las partículas ferromagnéticas nanoscópicas, normalmente son:
Magnetita Fe3O4 . Las nanopartículas de magnetita son las más utilizadas para la fabricación de ferrofluidos, debido a que son estables a la oxidación, utilizándose el método de coprecipitación porque el rendimiento de la reacción es elevado.
Maghemita Fe2O3
Otros compuestos con contenido de Fe2+ o Fe3+.
Se necesita una distribución de tamaño lo más estrecha posible. Las nanopartículas típicamente son del orden de 10 nm. Éste es lo suficientemente pequeño como para que la agitación térmica las distribuya uniformemente dentro del fluido portador. Un verdadero ferrofluido es estable a lo largo del tiempo sin presentar sedimentación de nanopartículas en el fluido. Este hecho significa que las partículas sólidas no se aglomeran o separan en fases, aún estando bajo la influencia de campos magnéticos muy intensos. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse con el paso del tiempo (algunos años) y eventualmente, las nanopartículas se aglomeran y separan, dejando de contribuir a la respuesta magnética del fluido.
Aplicaciones de los ferrofluidos
Los ferrofluidos, suelen utilizarse en:
altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, así como amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Residen en lo que normalmente sería el hueco alrededor de la bobina, siendo mantenidos en posición por el imán del altavoz. Ya que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie, reduciéndose su magnetismo al elevarse la temperatura. Un imán de gran potencia que se coloque cerca de la bobina (que produce calor), tenderá a atraer el ferrofluido frío con más intensidad que el caliente, forzando el
movimiento del fluido caliente hacia el elemento de disipación térmica. Esto constituye un eficiente método de enfriamiento que no requiere aportación energética adicional.
De manera similar, los ferrofluidos se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros
También poseen propiedades reductoras de la fricción. Si se aplican a la superficie de un imán de gran potencia, tal como los fabricados en neodimio, el imán podrá deslizarse sobre superficies lisas con un mínimo de resistencia.
Tinta para impresoras, la compañía Matsushita Electric Industry produjo una impresora capaz de imprimir 5 páginas por minuto, utilizando tinta de ferrofluido.
Los ferrofluidos tienen numerosas aplicaciones en óptica por sus propiedades refractivas; esto es debido a que cada partícula micromagnética refleja luz. Estas aplicaciones incluyen la medición de la viscosidad específica de un líquido colocado entre un polarizador y un analizador, iluminados por un láser de helio-neón.
La industria armamentística y más en concreto la Fuerza Aérea de los Estados Unidos la está utilizando como pintura absorbente de las ondas de detección de los radares, realizada de substancias ferrofluídicas y no magnéticas. El material contribuye a reducir la sección cruzada de radar de los aviones, reduciendo la reflexión de ondas electromagnéticas.
La NASA también está investigando posibles aplicaciones como es el caso de experimentar el uso de ferrofluidos en un bucle cerrado como el corazón de un sistema de control de nivel para vehículos espaciales. Se aplica un campo magnético a un bucle de ferrofluido para cambiar el momento angular e influir en la rotación del vehículo.
En medicina, un ferrofluido biocompatible puede emplearse para la detección de algunos cánceres, se puede emplear como contraste de imágenes RMN, medio de liberación de fármacos de una forma mas controlada, etc.
Debido a que los ferrofluidos bajo un campo magnético de susceptibilidad variable, tal como puede presentarse debido a un gradiente de temperatura, se obtiene una fuerza magnética no uniforme, que permite una forma de transferencia térmica llamada convección termomagnética. Esta forma de transferencia es útil cuando el uso de convección convencional es inadecuado; por ejemplo, en dispositivos a microescala o bajo condiciones de gravedad reducida.
Materiales inteligentes
Memoria de forma
Efecto de memoria de forma
La memoria de forma se puede describir, de forma general, como la capacidad de recordar la forma o tamaño original y recuperarla de forma reversible frente a un estímulo externo.
Atendiendo a su naturaleza química, los materiales con memoria de forma se pueden clasificar en:
aleaciones metálicas con memoria de forma (SMA)
aleaciones metálicas con memoria de forma inducida magnéticamente (FSMA)
cerámicas con memoria de forma (SMC)
polímeros con memoria de forma (SMP).
Aleaciones con memoria de forma
En el caso de las aleaciones metálicas, el efecto de memoria de forma es una propiedad asociada únicamente a ciertas aleaciones que presentan transformaciones en estado sólido, principalmente, gobernadas por procesos de cizalla sin difusión en las que los átomos se reorganizan entre dos fases cristalinas, una fase a baja temperatura llamada martensita y otra fase a alta temperatura conocida como austerita. Esta transformación, denominada transformación martensítica, se produce cuando la energía libre de la fase martensita es menor que la energía libre de la fase austenita a una temperatura por debajo de una temperatura crítica a la cual la energía libre de las dos fases coincide.
De este modo, el origen del efecto de memoria de forma se basa en la presencia de diferentes estructuras internas a diferentes temperaturas. Las temperaturas críticas a las cuales tienen lugar las transiciones de fase se identifican como Ms(temperatura de inicio de la formación de la martensita), Mf (temperatura final de la formación de la martensita), As (temperatura de inicio de la formación de la fase austenita) y Af (temperatura a la que se completa la formación de la fase austenita).
Temperaturas críticas de la transformación martensítica.
Sin embargo, a parte del efecto de memoria de forma basado en la transformación martensítica, se debe destacar otra propiedad única también relacionada con los procesos de transición en fase sólida conocida como supereleasticidad. Este efecto involucra una transformación martensítica inducida por una deformación externa, es decir, el material es deformado a una temperatura superior a la temperatura de la fase austerita, de forma que se induce al mismo tiempo una transformación martensítica. Dado que esta transformación se ha generado a otra temperatura distinta a la habitual, al cesar la tensión que genera la deformación, el material recupera inmediatamente la fase no deformada austerita, demostrando una capacidad elástica fura de lo común.
En resumen, por un lado, el efecto de memoria de forma consiste en el fenómeno por el cual una muestra deformada cuando se encuentra en fase martensita recupera su forma original como consecuencia del proceso de transformación inversa que se produce al calentar el material y evolucionar hacia la forma austenita. Sin embargo, por otro lado, el efecto de superelasticidad se produce cuando la aleación es deformada en fase austenita, formándose una fase martensita provisional (inestable), y recupera su dimensión original (fase austenita) al cesar la tensión externa.
Efecto de memoria de forma y efecto de superelasticidad en aleaciones metálicas.
Para el caso de las aleaciones metálicas, se pueden identificar el efecto de memoria de forma simple y el efecto doble, cuya diferencia reside en que para el primer caso el material únicamente recuerda la forma de la fase austenita original, mientras que en el efecto doble el material es capaz de recordar también la forma de la fase martensita bajo ciertas condiciones. Sin entrar en detalle, el efecto doble se puede entender en base a la creación de defectos y dislocaciones capaces de estabilizar la fase martensita. De este modo, al calentar la muestra, la fase martensita desaparece, pero las dislocaciones generadas permanecen, pudiéndose decir que el material recuerda esta forma intermedia en fase martensita.
Efecto de memoria de forma simple y doble.
Polímeros con memoria de forma
Al igual que las aleaciones con memoria de forma, los polímeros con memoria de forma son materiales capaces de recordar su forma original, si bien el mecanismo por el que se produce dicho efecto difiere completamente del mecanismo involucrado en el caso de las aleaciones metálicas.
Si bien existen diferentes mecanismos de inducción del efecto (térmicamente, químicamente y foto-inducido) dependiendo de la estructura y composición del polímero, el efecto termo-inducido es el más común y el que presenta mayores oportunidades en el campo textil. En este caso, al igual que para las aleaciones, el efecto se basa en procesos de calentamiento y enfriamiento del material por encima o debajo de una cierta temperatura de transición (Ttrans).
En el análisis de la capacidad de memoria de forma en polímeros es imprescindible considerar la gran diversidad de tipos de arquitectura molecular y de estados de agregación en los materiales poliméricos que derivan de las innumerables posibles composiciones químicas, distribuciones de pesos moleculares, morfologías de las cadenas, tipos de uniones entre cadenas, etc. Por lo tanto, conceptos tales como constitución, configuración o conformación deben considerarse a la hora de valorar la posibilidad, por parte de un polímero, de presentar el efecto de memoria de forma.
Frente a las aleaciones, donde el fenómeno de recuperación de forma tiene lugar de forma entálpica, en los polímeros, la capacidad de memoria de forma se basa en la elasticidad intrínseca de los polímeros, es decir, el efecto aparece por simples razones entrópicas, lo que permite deformaciones mucho mayores. En resumen, las cadenas actúan a modo de “interruptor” molecular gracias a la variación de la flexibilidad y movilidad de los segmentos frente a la temperatura. De este modo, se define una temperatura de transición, Ttrans, por debajo de la cual la movilidad y flexibilidad de los segmentos de cadena están muy restringidas, mientras que por encima dicha flexibilidad y movilidad aumentan drásticamente. Esta temperatura de transición puede ser la temperatura de transición vítrea, Tg o la temperatura de fusión, Tm.
A su vez, en función de los diferentes mecanismos de fijación y recuperación de la forma, los sistemas poliméricos pueden clasificarse en redes termoestables vítreas entrecruzadas
químicamente, elastómeros semicristalinos químicamente entrecruzados, termoplásticos físicamente entrecruzados y copolímeros en bloque semicristalinos físicamente entrecruzados.
Posible clasificación de los polímeros con memoria de forma inducida térmicamente.
Aleaciones con memoria de forma frente a polímeros con memoria de forma
Sin entrar en detalle, existen diferencias importantes entre el comportamiento y propiedades de las aleaciones y los polímeros activos. A parte de las diferencias propias entre metales y polímeros, tales como densidad, procesado, manipulación, propiedades mecánicas, etc., por un lado, la máxima deformación recuperable durante los efectos de memoria de forma es muchísimo mayor para el caso de los polímeros frente a las aleaciones, si bien, la fuerza de recuperación alcanzada es superior para las aleaciones. Del mismo modo, el rango de temperaturas de actuación es superior en el caso de los polímeros, si bien dicho rango es adecuado para aplicaciones en el sector textil en ambos casos.
Además, la gran mayoría de los polímeros únicamente evolucionan entre dos formas, es decir, presentan efecto de memoria simple. Sin embargo, recientemente se han presentado algunos sistemas que pueden asumir tres formas consecutivas como respuesta a la temperatura, si bien no se puede considerar como un efecto doble debido a la falta de reversibilidad. Además, aparte de para el caso de cristales líquidos o geles poliméricos, existen pequeñas aproximaciones hacia el efecto de memoria de forma doble en polímeros con aplicaciones ingenieriles mediante el diseño de sistemas bi-componente, pero que hasta el momento han demostrado capacidades muy limitadas.
Comparación entre las características del efecto de memoria de forma en los polímeros y en las aleaciones metálicas.
PropiedadesPolímeros con memoria de forma
Aleaciones con memoria de forma
Densidad (g/cm3) 0,9 ~ 1,1 6 ~ 8
Módulo a T < Ttran (GPa) 0,01 ~ 3 83 (NiTi)
Módulo a T > Ttran (GPa) (0,1~ 10)x10-3 28 ~ 41
Deformación recuperable (%) 250 ~ 800 6 ~ 10
Temperatura de recuperación (oC) -10 ~ 100 -10 ~ 100
Fuerza requerida para la deformación (MPa) 1 ~ 3 50 ~ 200
Fuerza de recuperación (MPa) 1 ~ 3 150 ~ 300
Velocidad de recuperación <1 s ~ varios minutos < 1 s
Conductividad térmica (Wm-1K-1) 0,15 ~ 0,30 18 (NiTi
Biocompatibilidad y biodegradabilidadPueden ser biocompatibles y/o biodegradables
Pueden ser biocompatibles pero no biodegradables
Condiciones de procesado < 200ºC, baja presiónAlta temperatura (> 100ºC), altas presiones
Coste bajo alto
