در ساختار برخی فلزات، حافظه وجود دارد

آلیاژ‌های حافظه‌دار نمونه‌ای کم‌نظیر از پیوند میان «فیزیک حالت جامد» (Solid State Physics)، «ترمودینامیک» (Thermodynamics) و مهندسی پیشرفته‌اند. آنها در سطح ظاهری فقط فلزند، اما در مقیاس اتمی، شبکه‌ای پویا از گذار‌های ساختاری را تجربه می‌کنند. برای فهم این پدیده، باید از شکل ظاهری عبور کنیم و به شبکه بلوری برویم؛ جایی که ماده تصمیم می‌گیرد چگونه رفتار کند.

حافظه در دل شبکه بلوری نوشته می‌شود

هر فلز یا آلیاژ از آرایشی منظم از اتم‌ها تشکیل شده است که «ساختار بلوری» (Crystal Structure) نام دارد. این ساختار تعیین می‌کند ماده چقدر سخت، چقدر انعطاف‌پذیر یا چقدر رسانا باشد. در آلیاژ‌های حافظه‌دار، ویژگی کلیدی وجود دو ساختار بلوری متفاوت در یک ترکیب شیمیایی واحد است.

این دو ساختار «فاز آستنیت» (Austenite) و «فاز مارتنزیت» (Martensite) نام دارند. فاز در علم مواد به حالتی از ماده گفته می‌شود که ویژگی‌های ساختاری مشخص و پایدار دارد. آستنیت معمولاً در دما‌های بالاتر پایدار است و شبکه‌ای منظم‌تر و متقارن‌تر دارد. مارتنزیت در دما‌های پایین‌تر شکل می‌گیرد و ساختاری کشیده‌تر یا کم‌تقارن‌تر دارد.

آنچه این گذار را خاص می‌کند، نوع آن است. این تغییر فاز یک «گذار فازی جامد–جامد» (Solid–Solid Phase Transformation) است؛ یعنی ماده بدون ذوب شدن و بدون جابه‌جایی تصادفی اتم‌ها، آرایش بلوری خود را تغییر می‌دهد. اتم‌ها به‌صورت هماهنگ و جمعی جابه‌جا می‌شوند؛ فرایندی که به آن «گذار مارتنزیتی» (Martensitic Transformation) گفته می‌شود.

وقتی تغییر شکل دائمی نیست

در بیشتر فلزات، اگر میله‌ای را بیش از حد خم کنیم، شبکه بلوری دچار «تغییر شکل پلاستیک» (Plastic Deformation) می‌شود؛ نابجایی‌ها حرکت می‌کنند و ساختار دچار آسیب دائمی می‌شود. اما در آلیاژ‌های حافظه‌دار، وقتی ماده در فاز مارتنزیت خم می‌شود، تغییر شکل اغلب از طریق «دوقلویی بلوری» (Twinning) رخ می‌دهد. دوقلویی یعنی بخشی از شبکه به‌صورت آینه‌ای نسبت به بخش دیگر جابه‌جا می‌شود، بدون آنکه پیوند‌ها شکسته شوند.

در این وضعیت، ماده تغییر شکل یافته به‌نظر می‌رسد، اما ساختار انرژی آن هنوز امکان بازگشت دارد. با افزایش دما و بازگشت به فاز آستنیت، شبکه بلوری به آرایش اولیه برمی‌گردد و در نتیجه شکل ظاهری نیز بازیابی می‌شود. این پدیده را «اثر حافظه شکلی» (Shape Memory Effect) می‌نامند.

به بیان ساده، فلز شکل اولیه را به خاطر نمی‌آورد؛ بلکه کمینه انرژی ساختاری آن، همان شکل اولیه است و با تغییر شرایط، به آن بازمی‌گردد.

کشف نایتینول؛ نقطه عطف علم مواد

گرچه نشانه‌هایی از رفتار مشابه در اوایل قرن بیستم گزارش شده بود، اما کشف عملی و کاربردی آلیاژ‌های حافظه‌دار در دهه ۱۹۶۰ رخ داد. پژوهشگران آزمایشگاه نیروی دریایی آمریکا هنگام کار روی آلیاژی از نیکل و تیتانیوم متوجه شدند نمونه خم‌شده با گرم شدن ناگهان صاف می‌شود. این آلیاژ بعد‌ها «نایتینول» (Nitinol) نام گرفت.

این کشف نه‌تنها یک کنجکاوی علمی، بلکه آغاز مسیری تازه در مهندسی مواد بود. زیرا نشان داد می‌توان موادی ساخت که پاسخ آنها به دما، به حرکت مکانیکی تبدیل شود.

ابرکشسانی؛ رفتار لاستیکی یک فلز

فراتر از حافظه شکلی، برخی آلیاژ‌های حافظه‌دار ویژگی دیگری دارند که «ابرکشسانی» (Superelasticity) نامیده می‌شود. در این حالت، ماده در دمایی بالاتر از دمای گذار قرار دارد و تحت تنش مکانیکی، به‌طور موقت وارد فاز مارتنزیت می‌شود. با برداشتن تنش، دوباره به آستنیت بازمی‌گردد و شکل اولیه بازیابی می‌شود، بدون نیاز به تغییر دما.

این رفتار باعث می‌شود فلز مانند لاستیک کش بیاید و سپس به شکل اولیه بازگردد، در حالی که ساختار فلزی خود را حفظ کرده است. همین ویژگی است که کاربرد‌های پزشکی آن را ممکن کرده است.

از قلب انسان تا مدار زمین

کاربرد‌های آلیاژ‌های حافظه‌دار فقط یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیست. در پزشکی، از نایتینول برای ساخت «استنت» (Stent)‌های قلبی استفاده می‌شود؛ لوله‌های توری ظریفی که در رگ‌ها قرار می‌گیرند. این استنت‌ها می‌توانند فشرده شوند و سپس در دمای بدن باز شوند. سیم‌های ارتودنسی نیز از همین خاصیت بهره می‌برند؛ آنها فشار یکنواخت و کنترل‌شده‌ای اعمال می‌کنند، زیرا تلاش می‌کنند به شکل اولیه بازگردند.

در صنعت هوافضا، این آلیاژ‌ها در سازوکار‌های خودبازشونده به کار می‌روند؛ مانند آنتن‌هایی که در مدار زمین با تغییر دما باز می‌شوند. در مهندسی عمران، پژوهش‌هایی برای استفاده از آنها در سازه‌های مقاوم در برابر زلزله انجام شده است، زیرا می‌توانند پس از تغییر شکل شدید، به وضعیت اولیه بازگردند و آسیب دائمی کمتری ببینند.

چرا این رفتار تکرارپذیر است؟

پایداری رفتار حافظه‌ای به «هیسترزیس حرارتی» (Thermal Hysteresis) وابسته است؛ فاصله دمایی میان آغاز و پایان گذار فازی در هنگام گرم و سرد شدن. این بازه تعیین می‌کند ماده در چه دمایی تغییر شکل می‌دهد و در چه دمایی بازمی‌گردد. مهندسان با تنظیم ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می‌توانند این محدوده را کنترل کنند.

با این حال، تکرار مداوم گذار فازی می‌تواند به «خستگی ساختاری» (Fatigue) منجر شود. به همین دلیل پژوهش‌های امروز بر افزایش طول عمر چرخه‌ای این مواد متمرکز است.

مرز‌های جدید؛ حافظه چندمرحله‌ای و مواد هوشمند

پژوهشگران اکنون روی نسل‌های جدیدی از آلیاژ‌های حافظه‌دار کار می‌کنند که قادرند چندین شکل را در دما‌های مختلف به یاد بیاورند. این پدیده «اثر حافظه دوطرفه» (Two-Way Shape Memory Effect) نام دارد؛ حالتی که ماده می‌تواند بین دو شکل متفاوت در چرخه‌های گرم و سرد جابه‌جا شود، بدون اعمال نیروی خارجی.

همچنین ترکیب این آلیاژ‌ها با حسگر‌ها و سامانه‌های کنترلی، مفهوم «مواد هوشمند» (Smart Materials) را گسترش داده است؛ موادی که می‌توانند به محیط پاسخ دهند و تغییر شکل دهند.

حافظه‌ای که دیجیتال نیست

واژه «حافظه» در اینجا استعاره‌ای فریبنده است. برخلاف حافظه در مغز یا حافظه دیجیتال در رایانه، آلیاژ حافظه‌دار اطلاعات را ذخیره نمی‌کند. آنچه رخ می‌دهد بازگشت به پایدارترین حالت انرژی در ساختار بلوری است. قوانین «مینیمم انرژی آزاد» (Minimum Free Energy) در ترمودینامیک تعیین می‌کنند کدام آرایش پایدارتر است. در نتیجه، آنچه به‌نظر هوشمندی می‌آید، در واقع تجلی قوانین بنیادی فیزیک است؛ قوانینی که از مقیاس کوانتومی تا سازه‌های مهندسی را شکل می‌دهند.

حافظه‌ای جادویی یا طبیعی؟

آلیاژ‌های حافظه‌دار نشان می‌دهند که رفتار ماده می‌تواند بسیار پیچیده‌تر از آن باشد که در نگاه اول به‌نظر می‌رسد. در این مواد، گذار فازی برگشت‌پذیر، آرایش هماهنگ اتم‌ها و کمینه‌سازی انرژی دست‌به‌دست هم می‌دهند تا فلز بتواند شکل اولیه خود را بازیابد.

این حافظه نه رازآلود است و نه جادویی؛ بلکه نتیجه دقیق تعامل ساختار بلوری و قوانین ترمودینامیک است. در جهانی که بیشتر مواد پس از تغییر شکل آسیب می‌بینند، این آلیاژ‌ها یادآور آن‌اند که حتی فلز هم می‌تواند انعطاف‌پذیر باشد؛ به شرط آنکه معماری اتمی‌اش اجازه دهد. فلزاتی که شکل خود را بازمی‌یابند، بیش از یک دستاورد مهندسی‌اند؛ آنها پنجره‌ای به درک عمیق‌تر رفتار ماده در مقیاس‌های جزئی‌تر هستند.

انتهای خبر/230588/