Что помнят умные материалы?

Как в Томске делают металлы с памятью формы, которые меняют нашу жизнь

Разработка томских физиков из СФТИ попала в список «100 лучших изобретений России — 2016». Исследователи во главе с профессором Юрием Чумляковым придумали способ получения материала с двойным эффектом памяти формы. Он вошел в сотню изобретений вместе со способом блокировки банковской карты и лекарством от вируса Эбола. Что такое металлы с памятью формы и где они могут применяться — читайте в материале «Проекта Alma Mater».

Кем вы были в прошлой жизни?

Маленький кусочек металла лежит на столе лаборатории и вдруг подпрыгивает на несколько сантиметров вверх. Это не волшебство, спецэффектов здесь тоже нет. Брусок сделан из сплавов металлов с памятью формы, которые изучают и создают в лаборатории физики высокопрочных кристаллов ТГУ.

Что случится с металлом, если его нагреть до нескольких сотен градусов? Он расплавится или деформируется. А когда остынет? Останется в своем измененном состоянии. Металлы с памятью формы, они же — smartmaterials, интеллектуальные материалы — ведут себя по-другому. Под внешним воздействием они деформируются, но потом, когда нагрузка прекращается, «вспоминают» свою изначальную форму и возвращаются к ней.

«Дети» плавят металл

Когда определенный сплав металлов нагревают, воздействуют на него магнитным полем, напряжением или чем-то еще, он меняет свою структуру и за счет этого у него появляются новые свойства. Например, сверхупругость или сверхэластичность. Этими свойствами обладают также волосы, мышцы, кости. Однако в лаборатории ТГУ научились создавать сплавы с такими свойствами

Профессор Юрий Чумляков с аспирантами
Профессор Юрий Чумляков с аспирантами

На специальном оборудовании несколько металлов сплавляются в печах в чистом вакууме. После этого в течение дня кристалл выращивается, затем он ориентируется, проходит термическую обработку и готов для проведения экспериментов.

В лаборатории работают около 15 человек, и среди них много магистрантов и аспирантов.

— Студенты — это как дети. Надо очень много с ними работать. Они быстро растут, и потом мы выпускаем специалистов экстракласса, — говорит заведующий лабораторией Юрий Чумляков.

Аспирантка Анна заканчивает эксперимент с охлаждением кристалла. Материал показал эффект памяти формы, но повел себя непредсказуемо: на графике изменения деформации от температуры наблюдается пилообразная, рваная кривая. Задача ученых — обеспечить, чтобы кривая стала красивой петлей, то есть чтобы эффект, которого они добились, был обратимым и циклически устойчивым — мог повторяться много раз.

Как умные материалы меняют нашу жизнь

Впервые металлы с эффектом памяти формы использовала американская фирма для изготовления втулок для истребителей 50 лет назад. Суть была в том, что деталь с нанесенной резьбой замораживали в криостате до минус 196 градусов Цельсия, развальцовывали выступы и она становилась гладкой внутри. Комнатная температура становилась для нее температурой нагрева, материал «вспоминал» свою изначальную форму, и деталь накрепко соединялась с другими, обеспечивая эффект сродни сварке.

«Умная» проволока
«Умная» проволока

С тех пор сфера применения smartmaterials расширилась, и сейчас умные сплавы можно применять практически во всех областях промышленности.

— Сейчас в Японии используют сталь с памятью формы при строительстве небоскребов в районах, где часто происходят землетрясения, — рассказывает профессор Юрий Чумляков. — Это большие детали весом в несколько сотен килограмм, которые поглощают колебания здания за счет обратимых мартенситных превращений под нагрузкой.

Другое свойство, которого достигли ученые, — магнитная память формы. Благодаря магнитоэластичности материалы могут преобразовывать магнитную энергию в механическую, и наоборот.

Материалы с обычной и магнитной памятью формы можно использовать в протезировании, делая их них имплантаты, вставлять в дороги, чтобы само дорожное полотно производило энергию для освещения, рессоры для машин и многое другое

Аспирантка Анна
Аспирантка Анна

Слишком умные пока не нужны

Однако сам ученый называет эти красивые примеры «сказкой» или «романтикой». Чтобы умные материалы из лаборатории попали в производство, их нужно, по словам Юрия Чумлякова, «engineering», и это уже работа не только физиков-фундаменталистов, но и инженеров, и она требует больших затрат.

Если на Западе вокруг университетов есть пулы компаний, которые заинтересованы в применении разработок, то в России такой связки между фундаментальной наукой и производством пока нет, говорит профессор.

Либо лучшие, либо никто

Сейчас в мире разработано более 20 тысяч соединений с памятью формы. Но ни у кого, кроме томичей, пока не получилось сделать сплав на основе железа, который бы тянулся на 15-20 процентов и при снятии нагрузки восстанавливал свою первоначальную форму. Сплав на основе железа дает гораздо лучшие результаты, чем считавшийся наиболее эффективным никелид титана (его обратимая деформация составляет 6-8%).

— Мы разработали новый ферромагнитный сплав, который обладает мартенситными термоупругими превращениями (мартенсит — это фаза, которая возникает при охлаждении сплава). Этот материал можно использовать при температуре выше ста градусов, в отличие от хорошо известного сплава никеля и титана. Кроме того, нам удалось добиться циклической стабильности: его свойства при изменениях напряжения, температуры остаются стабильными, — говорит ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Елена Панченко.

Юрий Чумляков
Юрий Чумляков

Отвечая на вопрос, почему этого смогли добиться в Томске, Юрий Чумляков переходит на английский. К слову неслучайно, разговорный язык — обязательное условие для всех сотрудников лаборатории, которые постоянно ездят учиться, учить, проводят совместные эксперименты с коллегами за рубежом в США, Германии, Испании, Японии.

— You can win if you are the best. Значит, надо много работать. Ты покажи, что могут делать твои студенты, аспиранты и сотрудники! Могут ли они писать сами статьи в высокорейтинговые журналы? Какой у них индекс Хирша и сколько грантов ты и твои коллеги выиграли? Если мы не будем впереди, мы окажемся в deephole.

— Я же конфуцианец, — шутит он, — однажды сделал физику своим любимым делом. И с тех пор не работал ни дня.

Текст: Галина Сахаревич
Фото: Алена Кардаш

Проект Alma Mater, № 6 (19)