Fyzmatik | Kovy s tvarovou pamětí

V běžném životě používáme kromě obyčejných kovů i kovy inteligentní, které disponují tvarovou pamětí. Kovy s tvarovou pamětí se nazývají SMA (Shape memory alloy). Brýle s obroučkami z chytrého kovu se nám v kapse klidně mohou pokroutit a se přesto znovu vrátí do původního stavu. Dalším příkladem  použití jsou kostice do podprsenek, rovnátka nebo spínače některých kávovarů.

Kov či slitina s tvarovou pamětí přechází při jisté teplotě z jedné krystalické formy do druhé. To je způsobeno tím, že se slitina snaží udržet v energeticky nejvýhodnějším stavu, a proto se vždy přeorientuje do krystalické mřížky, která je za daných podmínek energeticky nejvýhodnější. Pokud slitině něco v přechodu brání, dokáže vyvinout slušnou sílu a rychlost (v závislosti na teplotě), aby se dostala do té krystalické struktury, která je pro ni za daných podmínek nejlepší. Další zajímavou vlastností je elastická deformace u těchto slitin. Zatímco u běžných kovů elastická deformace (kov se znovu vrátí do původního tvaru) nepřesahuje 1%, u kovů s tvarovou pamětí může plně elastická deformace dosahovat až 15%. To má v praxi ohromné využití a je to jedna z velkých předností těchto kovů.

Chytré kovy můžeme najít ve směšovačích vodovodních bateriích,  které míchají teplou a studenou vodu. Hitem je oblečení, obsahující tyto kovy tak, že se samo vlivem lidského tepla vyžehlí nebo změní svůj tvar či délku.

Většinou se zatím kovy s tvarovou pamětí používají jako princip regulace Některé klimatizace, používají ke své regulaci dvoucestnou tvarovou paměť. Kávovary regulují pomocí tvarové paměti kovů teplotu vody mnohem přesněji než bimetalem a na druhou stranu levněji než elektronikou. Schopnost materiálů působit při různém prodloužení prakticky stejnou silou se využívá například v rovnátkách, které jsou pak mnohonásobně účinnější než klasická. Ve stíhačkách najdeme spojky z chytrých kovů, které se využívají se jako tlumící zařízení v křídlech letadel nebo jako spojky potrubí. Objevují se  v trhacích tyčích v kamenolomech nebo jednoduchých čerpadlech pro pouštní oblasti, kde se využívá jejich schopnost přeměnit při přechodu mezi oběmi fázemi teplo na mechanickou práci. Toho se ostatně využívá i v kosmonautice při rozvíjení obrovských antén ve vesmíru, které se dopraví složené a podchlazené v raketě do vesmíru, kde se vlivem slunečního záření samy rozvinou.

Nejznámějším a nejrozšířenějším chytrým kovem je nitinol - slitina niklu a titanu, která byla na počátku šedesátých let vyvíjena původně jako materiál vysoce odolný proti korozi. Proto se také dnes tento materiál používá převážně v lékařství. Vlastností nitinolu totiž není jen tvarová paměť, ale má tlumící účinky, tělu nedělá potíže ho přijmout a navíc má schopnost po zdeformování tlakem nebo tahem vrátit se do původního tvaru. Z nitinolu se vyrábí kupříkladu rovnátka, která se sama natahují, ale i umělé zubní kořeny, cévní a průduškové výztuže nebo různé chirurgické nástroje. Při komplikovaných zlomeninách se do obou částí zlomené kosti se vyvrtají otvory, do nichž se vloží hroty skobičky, která byla za nízké teploty roztažena. Po ohřátí se její hroty stáhnou a tím přitáhnou a zafixují k sobě části zlomené kosti.

Poprvé byla schopnost tvarové paměti kovů popsána u slitiny zlata a kadmia. Tento efekt  je pozorovatelný především u kovových slitin, ale podobný efekt byl objeven u některých plastů a keramik. Vědci se o tento obor začali více zajímat teprve v roce 1963, kdy byl tento jev pozorován na slitině NiTi (NiTinol). Paměťový efekt byl později objeven i v dalších slitinách: Cu₃Al, Cu₃Zn (což je běžná mosaz, u které se tvarová paměť objevuje až v nízkých teplotách), Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn, Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Hf a mnoho dalších. Existuje celá řada dalších kovů, u kterých se tento jev vyskytuje, ale ty nejsou moc využívány, protože mají jen slabý efekt nebo jsou nestabilní. Tvarová paměť, odolnost proti kyselinám či nízká tepelná vodivost, se u nich většinou vyskytují jen v úzkých hodnotách poměrů kovů a to nejčastěji pokud jsou poměry atomů kovů ve slitině malé celočíselné hodnoty. V těchto případech jde o slitiny, v jejichž struktuře se jednotlivé kovy pravidelně střídají (tzv. intermetalika). Jejich schopnost tvarové paměti spočívá v existenci dvou různých krystalických forem s rozdílnými fyzikálními vlastnostmi, kterými materiál v závislosti na teplotě prochází. Tyto stavy se nazývají martenzit a austenit, což jsou termíny přejaté z hutnictví železa.

Teploty, kdy dochází k přechodu mezi jednotlivými stavy, se mohou pohybovat v rozmezí od –100 do + 100 °C a závisí na použitých příměsích. Jestliže slitina prodělává změnu tvaru pouze při zahřívání, označujeme ji jako kov s jednocestnou tvarovou pamětí, kromě toho však existují i kovy, které mohou měnit tvar i při opětovném ochlazování a takové materiály se nazývají dvoucestné.

Vědci však dokonce objevili chytrý polymer nové generace, který k návratu do původního nepotřebuje teplo, ale je fotosenzitivní. Nahrazuje působení tepla ultrafialovým světlem.