Onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology en Duitsland hebben voor het eerst de verschijnselen van vormgeheugen en zelfgenezing in gouden microdeeltjes aangetoond. Bereikt door defecten-gemedieerde diffusie in het deeltje, de ontdekking zou ooit kunnen leiden tot de ontwikkeling van micro- en nanorobots die zichzelf kunnen repareren; mechanisch stabiele en schadebestendige componenten en apparaten; en gerichte medicijnafgifte.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science, werd uitgevoerd door promovendus Oleg Kovalenko en Dr. Leonid Klinger, onder leiding van Prof. Eugen Rabkin van het Technion Department of Materials Science and Engineering, samen met Dr. Christian Brandl van Karlsruhe Institute of Technology, Duitsland (KIT).

Materialen met vormgeheugen worden gekenmerkt door het vermogen om de aangerichte schade (zoals plastische vervorming) te herstellen en hun oorspronkelijke vorm te herstellen. Deze materialen kunnen in twee stabiele kristallijne vormen voorkomen, of fasen:austeniet, wat de meer symmetrische primaire vorm is die stabiel is bij verhoogde temperaturen; en martensiet, wat een fase is die wordt gekenmerkt door lagere symmetrie, maar ook door meer kracht. Een bekend voorbeeld van overgang tussen de twee fasen is het afschrikken van staal.

De transformatie van de austenietfase naar martensiet kan worden geactiveerd door mechanische belasting op het materiaal uit te oefenen, of door het af te koelen. Door de lage symmetriestructuur van het martensiet kan het materiaal aanzienlijke plastische spanningen absorberen door de vervormde kristallen van martensiet te heroriënteren volgens de richting van de erop uitgeoefende spanning. Zelfs na plastische vervorming, de martensietkristallen "herinneren" hun ouderaustenietfase en zijn in staat deze in zijn oorspronkelijke configuratie te herstellen. Dit gebeurt als het materiaal wordt opgewarmd, waardoor de omgekeerde martensiet-austeniet-fasetransformatie wordt veroorzaakt en de thermische energie wordt omgezet in mechanische energie die het materiaal in zijn oorspronkelijke vorm zal herstellen.

Tot nu, dit vormgeheugeneffect is alleen waargenomen bij zeer weinig metaallegeringen zoals Nitinol (Ni-Ti). Deze legeringen worden gekenmerkt door polymorfisme - veelvoud van mogelijke stabiele kristallijne fasen. Dit is de eerste keer dat het fenomeen vormgeheugen is aangetoond in submicrometerdeeltjes van goud. De onderzoekers hebben de gouddeeltjes ingesprongen met een scherpe diamantpunt die wordt bestuurd door een atomic force microscope (AFM). Uitgloeien van de ingesprongen deeltjes bij een temperatuur van 600°C (ongeveer 65% van de absolute smelttemperatuur van goud) resulteerde in volledige genezing van de schade en herstel van de oorspronkelijke vorm van de deeltjes voorafgaand aan vervorming.

Volgens prof. Rabkin, de ontdekking van het vormgeheugeneffect in deze deeltjes is om twee redenen verrassend:"Ten eerste, de oorspronkelijke vorm van de deeltjes was niet perfect in termen van energie en thermodynamisch evenwicht. Tweede, goud in vaste toestand wordt niet gekenmerkt door polymorfisme."

Om het proces diepgaand te begrijpen, de onderzoekers onderzochten de atomaire beweging tijdens inkeping en verwarming, met behulp van atomistische moleculair dynamische computersimulaties. Ze toonden aan dat de plastische vervorming tijdens het inkepingsproces wordt gemedieerd door kiemvorming en glijden van halve dislocatielussen (de dislocaties zijn lineair, eendimensionale defecten in het kristal waardoor het plastische vervorming ondergaat). De lussen die naar buiten gaan bij de vrije oppervlakken, vormen terrassen en richels op de platte facetten van het deeltje, en deze dienen als "geleiderails" die de diffusie van goudatomen terugleiden naar de ingesprongen plaats tijdens gloeien bij hoge temperatuur. Zo krijgt het deeltje zijn oorspronkelijke vorm terug.

Zoals koffie die vanzelf in het kopje terugkeert

Zowel plastische vervorming als door capillair aangedreven diffusie zijn klassieke voorbeelden van thermodynamisch onomkeerbare processen. Het is opmerkelijk dat een combinatie van twee onomkeerbare processen kan leiden tot herstel van schade en omkeerbaar herstel van een deeltjesvorm. Om te begrijpen hoe verrassend dit proces is, denk aan gemorste koffie die terugspringt van de vloer in de beker, of een auto die zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt nadat hij total loss is geraakt bij een ongeval.

Prof. Rabkin zegt dat het ontdekte zelfherstellende en vormgeheugeneffect in metalen nano- en microdeeltjes kan worden gebruikt voor het ontwerp van mechanisch stabiele en schadetolerante componenten en apparaten op een schaal van minder dan een micrometer.

Bijvoorbeeld, een van de belangrijkste redenen voor het falen van mobiele elektronische apparaten (zoals tablets en smartphones) is de mechanische slijtage van elektrische contacten. Het ontwerpen van een contactgeometrie op basis van het ontdekte vormgeheugeneffect kan dit probleem voor eens en voor altijd oplossen:elektrische stroom die door het beschadigde elektrische contact vloeit, zal het contactgebied opwarmen, en warmte zal worden gebruikt om de mechanische schade van het contact te herstellen. Een ander mogelijk gebruik is de gecontroleerde afgifte van medicijnen aan de specifieke delen van het lichaam van de patiënt. Voor deze toepassing, de deeltjes die in staat zijn hun vorm bij lagere temperaturen te herstellen, moeten worden ontworpen. Een medicijn kan worden geïnjecteerd in de holte op het deeltjesoppervlak geproduceerd door inkeping, en vrijgegeven na verwarming.