Het geheugenmetaal van Roswell en Uri Geller

Geheugenmetaal is de benaming die gebruikt wordt voor legeringen met "geheugen” eigenschappen. Deze eigenschappen houden in dat het materiaal, nadat het is vervormd op kamertemperatuur, bij opwarmen terug keert(veert) naar zijn originele vorm van voor de vervorming. Vervormd in koude toestand, gevolgd door terugkeren in de oorspronkelijke vorm door verwarming, kan steeds herhaald worden.

Geheugenmetaal

Geheugenmetaal is meestal een Nikkel -Titaan legering met een “geheugen”. Na koudvervorming van het produkt op kamertemperatuur, veert het bij opwarming (bijvoorbeeld op lichaamstemperatuur) terug in zijn oorspronkelijke vorm van voor de koudvervorming. Een voorwerp uit geheugenmetaal wordt bij kamertemperatuur koudvervormd zodat het bijvoorbeeld in een ader ingebracht kan worden, waar het transformeert in zijn functionele vorm door lichaamstemperatuur om bijvoorbeeld een vernauwing wijder te maken of als filter tegen bloedstolsel.

Een gekreukelde plaatje van de neergestorte "UFO" in Roswell in 1947 keerde in de handen van de vinder terug in een onverformd stukje plaat, aldus de berichten uit die tijd. Volgens Amerikaanse ambtenaren was er niets aan de hand, gewoon een weerballon, de vinder van het materiaal moest zijn vondst echter wel inleveren.Geheugenmetaal was nog niet bekend. In de jaren zestig was geheugenmetaal blijkbaar bekend bij Uri Geller met zijn lepels buigen door het smalle deel van de lepel tussen duim en wijsvinger warm te wrijven.

Structuurkringloop van niet vervormd geheugenmetaal

Het geheugenmetaal kan veel meer vervormd worden dan conventioneel verenstaal en toch terugveren naar de oorspronkelijke vorm waarin het op voorraad ligt. Kringloop van fase verschuivingen van een geheugen legering loopt zoals afgebeeld in figuur 1. Op de vertikale as het martensietaandeel (in %) en op de horizontale as de temperatuur.

Verwarmen
Bij kamertemperatuur is de structuur 100% martensitisch M(finish). We verwarmen het metaal (kringlooppijl naar rechts). Bij temperatuur A(start) begint austenietvorming, waardoor martensietdeel vermindert. Bij temperatuur Af(finish) is alles austenitisch en nul martensitisch.

Afkoelen

Bij temperatuur daling vanaf A(finish) (kringlooppijl naar links) begint bij temperatuur M(start) weer de martensietvorming, waardoor austenietdeel vermindert. Bij temperatuur M(finish) is alles weer martensiet.

Transformatietemperatuur

Transformatietemperatuur wordt bepaald door samenstelling, warmtebehandeling en mate van koudvervorming. Geheugen metaal (NiTi legering) met hoog Nikkel-gehalte heeft een transformatietemperatuur(Td) onder kamertemperatuur en met laag Nikkel-gehalte een transformatietemperatuur boven kamertemperatuur. Deze temperatuur wordt door de metallurg via de chemische samenstelling als eigenschap ingebouwd.

De kringloop van structuren austeniet en martensiet

Temperatuur geïnduceerde kringloop TIM

Bij temperatuurverlaging tot beneden de transformatietemperatuur wordt temperatuur- geinduceerd martensiet (TIM) gevormd. Zoals geschetst in figuur 1. Bij opwarmen zal over traject A(start) - A(finish) de transformatie plaatsvinden in austeniet. Bij afkoelen zal op traject M(start) - M(finish) weer martensietvorming plaatsvinden enz..

Spanning geïnduceerde kringloop Sim
Martensiet kan ook zonder temperatuurverlaging gevormd worden, zoals in figuur 2 te zien is. Vanuit de austenitische structuur zal bij een kritische spanning (door deformatie) een transformatie plaatsvinden in martensiet (spanning geïnduceerde martensiet SIM). Ook nu treedt bij wegnemen van de belasting een spanningshysterese op als in figuur 1.

Figuur 2 Vorming van spanning geinduceerd martensiet (SIM) door kouddeformatie van het produkt bij gelijk blijvende temperatuur.

Eigenschappen geheugenmetaal

Fysische eigenschappen

• Soortelijke massa 6,45 gram/cm3
• Smeltpunt 1310°C
• Uitzettingscoefficient 6.6 x 10-6/°C
• Transformation Temperatuur (Af) 60° C

Mechanische eigenschappen

• Treksterkte 850 N/mm2
• Rekgrens 180 N/mm
• Elasticiteitsmodules 710.000 N/mm2
• Breukrek 45%
• breukinsnoering 30%

Samenstelling

• Nikkel: 54.5%
• Titanium: Rest
• Zuurstof (max.) 0.05 %
• Koolstof (max) 0.02 %

Mechanische eigenschappen van martensiet en austeniet in geheugenmetaal

Geheugenmetaal in de praktijk

Soms is de belasting zo groot dat enige plastische deformatie optreedt en het metaal niet volledig in zijn oorspronkelijke vorm terugkeert. Gebieden die nog plastisch vervormd zijn zullen op het traject A(start) - A(finish) als ankers werken op het austeniet dat terug wil naar de oorspronkelijke vorm. Gevolg is inwendige spanning tussen restdeformatie gebieden en de veel sterkere austenietmassa. (strekgrens austeniet is tweemaal zo groot als van het martensiet) Bij verdere afkoeling zorgt deze spanning ervoor dat op het traject M(start) - M(finish) de gedeformeerde resten in het zachte martensietgebied meegetrokken worden in de terukeer naar de oorspronkelijke vorm..
In de praktijk kan er een restant gedeformeerd gebied achter blijven en zal het produkt niet 100% terug keren in zijn oorspronkelijke vorm. Het effect daarvan is ingekalkuleerd, want als de terugvering 90% is blijft het ook 90%.

Toepassingen van geheugenmetaal in de techniek

• Algemeen: handelingen op moeilijke plaatsen.
• Automatisering systemen- ventilator en radiator inschakeling in klimaatsysteem, automatische zonwering of raamopeners voor broeikassen, thermisch geactiveerde schakelaars, kleppen, sprinklersystemen.
• Uitklappen van antennes in sattelieten.
• Lasloze verbindingen, zoals pijpmoffen (klemmen door uitzetting werkt als een perspassing).
• Keilbouten e.d. die zichzelf vastzetten.
• Element in remmen voor inschakelen van noodstop.

Toepassingen als biomedisch materiaal

Eigenschappen waaraan een implantaat moet voldoen:

• Het implantaat moet binnen de gestelde tijd zijn functies verrichten.
• Biocompatibiliteit; geen afstoting, geen allergische- en toxische reacties.
• Geen achteruitgang van het weefsel.

Voorbeelden

• Vervanging kraakbeen van de gewrichtskop, zelfklemmend rond de bolvorm.
• Corrigeren van vergroeide wervelkolom. Voor deze operatie is het geheugenmetaal zo gemaakt dat het bij lage temperaturen (onder de 30 graden Celsius) buigbaar is zodat de chirurg het metaal aan de gekromde rug kan bevestigen. Zodra het metaal de lichaamstemperatuur bereikt, wil het naar de oorspronkelijke rechte vorm terug. De rug wordt met een constante kracht geleidelijk rechtgetrokken.
• Afsluitfuncties door middel van kleppen en klemmen.
• Revalidatiehandschoen voor reactiveren van verminderd actieve spiergroepen; pols-, elleboog-, schouder-, enkel- en kniegewrichten.
• Fixatie bij botbreuken, pen voor het bevestigen van prothesen aan bot.
• Filters bloedstolsels in bloedvaten, clips voor het afklemmen van aders.
• Een "kunstspier",die door een elektrische stroom wordt geactiveerd, ook als “spier” gebruikt in de endoscoop.

Nawoord

De bekendste geheugenmetalen zijn heden: Cu Zn Al, CU Al NI en Ni Ti. De ontwikkeling van het materiaal is in volle gang. Voor medische toepassingen en voor automatisering zullen speciale geheugen materialen ontwikkeld worden. Niet alleen metaallegeringen maar ook keramische materialen en kunstoffen zullen drager van deze eigenschap worden.