Het vermogen van legeringen met vormgeheugen, gebruikt als materiaal voor medische stents, om terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm nadat een temperatuurstijging wordt onderdrukt bij korrelgroottes van nanometers vanwege effecten die verband houden met het grotere aandeel korrelgrenzen, volgens een wiskundig model ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers. Deze bevinding helpt vormgeheugenverlies te verklaren en ons begrip van nanokristallijne vormgeheugenmaterialen te vergroten, wat zal leiden tot verbeteringen in het ontwerp van dergelijke apparaten.

"Vormgeheugenlegeringen worden vaak gebruikt als materialen voor medische stents vanwege hun interessante vormgeheugen en mechanische eigenschappen, en ook in andere biomedische en technische toepassingen, " zegt hoofdonderzoeker, Rajeev Ahluwalia, van het A*STAR Institute of High Performance Computing.

Vormgeheugen verwijst naar het vermogen van een materiaal om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm, meestal door verwarming, na relatief grote vervormingen. Dit vormherstel vindt plaats omdat atomen in de kristallijne structuur van het materiaal hun relatieve rangschikkingen veranderen wanneer de temperatuur daalt, en bij het opwarmen terugkeren naar hun oorspronkelijke plaats. Dit type 'martensitische' transformatie kan uiterst nuttig zijn in verschillende toepassingen, maar experimenteel is gevonden dat deze transformatie wordt onderdrukt als de samenstellende kristalkorrels nanoschaaldimensies naderen. Dit vermindert mogelijk de toepasbaarheid van legeringen met vormgeheugen op kleine schaal.

Ahluwalia en zijn team ontwikkelden een wiskundig model voor martensitische transformatie dat met succes experimenteel waargenomen onderdrukking van de transformatie in deze materialen reproduceert (zie afbeelding).

"Ons model laat zien dat deze onderdrukking van de martensitische transformatie kan worden toegeschreven aan korrelgrenseffecten, " legt Ahluwalia uit. "Graangrenzen kunnen een energiestraf opleggen tijdens transformatie, het onderdrukken van de transformatie lokaal op korrelgrenzen, en leidend tot volledige onderdrukking van transformatie in kleine korrels onder een kritische korrelgrootte."

Terwijl ze aantonen dat de door temperatuur geïnduceerde transformatie wordt onderdrukt in het nanograin-regime, de bevindingen van het team verklaarden ook de vermindering van 'mechanische hysterese' - het verschil in hoe een materiaal vervormt onder een bepaalde kracht, afhankelijk van of het wordt geladen of gelost - naarmate de korrelgrootte afneemt. Dit impliceert minder energieverlies en verminderde mechanische vermoeidheid - gewenste eigenschappen die kunnen worden verkregen door de korrelgrootte te verkleinen.

"Het begrijpen van de oorzaak achter dit interessante gedrag bij kleine korrelgroottes geeft ons een manier om materiële microstructuren te ontwerpen met gewenste eigenschappen, ' zegt Ahluwalia.