Investigadores del Technion-Israel Institute of Technology y de Alemania han demostrado por primera vez los fenómenos de memoria de forma y autocuración en micropartículas de oro. Conseguido a través de la difusión mediada por defectos en la partícula, el descubrimiento podría conducir algún día al desarrollo de micro y nano robots capaces de autorrepararse; componentes y dispositivos mecánicamente estables y tolerantes a daños; y administración de fármacos dirigida.

El estudio, publicado en la revista Advanced Science, fue realizada por el estudiante de doctorado Oleg Kovalenko y el Dr. Leonid Klinger, dirigido por el Prof. Eugen Rabkin del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Technion, junto con el Dr. Christian Brandl del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Alemania (KIT).

Los materiales con memoria de forma se caracterizan por la capacidad de reparar los daños causados ​​(como la deformación plástica) y recuperar su forma original. Estos materiales pueden existir en dos formas cristalinas estables, o fases:austenita, cuál es la forma primaria más simétrica estable a temperaturas elevadas; y martensita, que es una fase caracterizada por una menor simetría, pero también por mayor fuerza. Un ejemplo bien conocido de transición entre las dos fases es el temple del acero.

La transformación de la fase austenítica en martensita se puede activar aplicando carga mecánica al material, o enfriándolo. La estructura de baja simetría de la martensita permite que el material absorba una tensión plástica considerable reorientando los cristales distorsionados de martensita de acuerdo con la dirección de la tensión aplicada. Incluso después de la deformación plástica, los cristales de martensita "recuerdan" su fase austenítica madre y son capaces de restaurarla a su configuración original. Esto sucederá si el material se calienta, provocando la transformación de fase inversa martensita-austenita y transformando la energía térmica en energía mecánica que devolverá el material a su forma original.

Hasta ahora, este efecto de memoria de forma solo se ha observado en muy pocas aleaciones metálicas como Nitinol (Ni-Ti). Estas aleaciones se caracterizan por polimorfismo:multiplicidad de posibles fases cristalinas estables. Esta es la primera vez que se demuestra el fenómeno de la memoria de forma en partículas de oro submicrométricas. Los investigadores sangraron las partículas de oro con una punta de diamante afilada controlada por un microscopio de fuerza atómica (AFM). El recocido de las partículas indentadas a una temperatura de 600 ° C (aproximadamente el 65% de la temperatura de fusión absoluta del oro) resultó en la curación completa del daño y la recuperación de la forma original de las partículas antes de la deformación.

Según el profesor Rabkin, el descubrimiento del efecto de memoria de forma en estas partículas es sorprendente por dos razones:"Primero, la forma original de las partículas no era perfecta en términos de energía y equilibrio termodinámico. Segundo, el oro en su estado sólido no se caracteriza por el polimorfismo ".

Para comprender el proceso en profundidad, los investigadores investigaron el movimiento atómico durante la indentación y el calentamiento, utilizando simulaciones por ordenador de dinámica molecular atomística. Demostraron que la deformación plástica durante el proceso de indentación está mediada por nucleación y deslizamiento de los medios bucles de dislocación (las dislocaciones son lineales, defectos unidimensionales en el cristal a través del cual sufre deformación plástica). Los bucles que salen por las superficies libres forman terrazas y repisas en las caras planas de la partícula, y estos sirven como "rieles de guía" que dirigen la difusión de los átomos de oro de regreso al sitio dentado durante el recocido a alta temperatura. Así, la partícula recupera su forma original.

Como el café que vuelve a la taza por sí solo

Tanto la deformación plástica como la difusión capilar son ejemplos clásicos de procesos termodinámicamente irreversibles. Es notable que una combinación de dos procesos irreversibles puede conducir a la recuperación del daño y la restauración reversible de la forma de una partícula. Para comprender lo sorprendente que es este proceso, piense en el café derramado saltando del suelo a la taza, o un automóvil que recupera su forma original luego de ser totalizado en un accidente.

El profesor Rabkin dice que el efecto de autocuración y memoria de forma descubierto en nanopartículas y micropartículas metálicas podría utilizarse para el diseño de componentes y dispositivos mecánicamente estables y tolerantes al daño a una escala de longitud submicrométrica.

Por ejemplo, Una de las principales razones del fallo de los dispositivos electrónicos móviles (como tabletas y teléfonos inteligentes) es el desgaste mecánico de los contactos eléctricos. Diseñar una geometría de contacto basada en el efecto de memoria de forma descubierto puede resolver este problema de una vez por todas:la corriente eléctrica que fluye a través del contacto eléctrico dañado calentará el área de contacto, y se utilizará calor para reparar el daño mecánico del contacto. Otro posible uso es la administración controlada de fármacos a áreas específicas del cuerpo del paciente. Para esta aplicación, deberían diseñarse las partículas capaces de recuperar su forma a temperaturas más bajas. Se puede inyectar un fármaco en la cavidad de la superficie de la partícula producida por la hendidura, y liberado después de calentar.