Vật liệu thông minh Nitinol

Bài viết liên quan

1. VẬT LIỆU THÔNG MINH
Khi nói đến những vật liệu sử dụng trong khoa học kỹ thuật, người ta thường nghĩ đến những tính chất cơ lý hoá của chúng như khối lượng riêng, độ cứng, độ đàn hồi, khả năng chống ăn mòn V.V... Các thông số của vật liệu có được như thế nào thì khi thiết kế sử dụng phải luôn luôn tuân thủ, không được vượt quá giới hạn.

Bản thân vật liệu cũng rất thụ động, luôn âm thầm chịu đựng những điều kiện áp đặt, chúng chẳng bao giờ biết chủ động đối phó với tình thế. Người ta gọi chung đó là vật liệu “câm lặng”.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật bắt đầu từ giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học chú ý đến việc chế tạo ra các loại vật liệu không câm lặng nũa mà biết cảm nhận, suy nghĩ, ứng phó kịp thời v.v... gọi là vật liệu thông minh. Chính động vật, thực vật trong tự nhiên đã biết sử dụng rất nhiều vật liệu thông minh. Da con tắc kè biết cách thay đổi màu sắc cho phù hợp nội tâm và ngoại cảnh, xương con vật nếu không may bị gãy, dập thì biết cách tự sửa chữa cho liền lại, chiếc lá cây biết quay về phía ánh nắng mặt trời sao cho tạo ra được nhiều lục diệp tố v.v... Vật liệu phỏng sinh là một xu hướng nổi bật của chế tạo vật liệu thông minh hiện nay. Từ khi có công nghệ nanô, con người tìm cách điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử để tạo ra vật liệu thông minh. Đã có các loại vải màu sắc thay đổi lấp lánh theo góc nhìn làm tăng vẻ huyền ảo cho nghệ sỹ biểu diễn. Đã có các lớp phủ lên kính trời âm u nhìn qua thấy trong sáng, trời nắng gắt lại thấy râm mát dễ chịu v.v...

Trong các loại vật liệu thông minh đang được sử dụng nhiều hiện nay, có một loại vật liệu thông minh phổ biến nhất đặc biệt là trong y tế, đó là hợp kim Nitinol.
Ta sẽ tìm hiểu tại sao hợp kim Nitinol lại có nhũng tính chất rất thông minh và một số ứng dụng.

2. HỢP KIM NITINOL
Nitinol là hợp kim của niken và titan với thành phần Ni vầ Ti gần bằng nhau, ở tên gọi Nitinol có hai nguyên tố Ni và Ti ở đầu và tiếp theo là chữ NOL đó là nơi đã tìm ra và nghiên cứu được các tính chất đặc biệt của hợp kim này: Naval Ordnance Laboratory (Phòng thí nghiệm khí tài của Hải quân). Các tính chất rất đặc biệt cùa Nitinol liên quan đến hiện tượng chuyển pha mactensit, một kiểu chuyển pha rắn - rắn rất hay gặp khi tôi luyện thép.
Hình 1. Biến đổi cấu trúc của Nitinol

Ở nhiệt độ cao, Nitinol có cấu trúc lập phương (kiểu CICs) thường gọi đó là pha austenit. Khi hạ thấp nhiệt độ Nitinol chuyển rất nhanh sang cấu trúc một xiên (còn gọi là đơn tà - monoclinic), đây là cấu trúc của pha mactensit. Xét chi tiết ra đối với cả khối Nitinol thì nhiệt độ bắt đầu từ austenit sang mactensit thường ký hiệu là Ms, nhiệt độ mà cả khối đã hoàn toàn chuyển sang pha mactensit ký hiệu là Mf (s là từ start: bắt đẩu, f là từ finish: kết thúc), hai nhiệt độ này rất gần nhau nên xem sự chuyển pha là tức thời.
Hình 2. Các nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển pha

Khi Nitinol do làm lạnh đã chuyển sang pha mactensit, nếu làm nóng lên nó lại chuyển sang pha austenit, cũng bắt đầu chuyển pha ở nhiệt độ As và kết thúc ở nhiệt độ Af(. As và Af rất gần nhau nên sự chuyển pha này cũng xem là tức thời. Như vậy chuyển pha ở Nitinol là thuận nghịch và tức thời.
Chú ý rằng hai pha austenit và mactensit có những tính chất rất đặc biệt. Khi chuyển pha, thí dụ từ austenit sang macten- sít, các nguyên tử chỉ dịch chuyển đồng loạt theo một khoảng cách rất nhỏ để từ cấu trúc lập phương sang cấu trúc một xiên, không làm ảnh hưởng đến thể tích, hình dạng bên ngoài. Nhưng một khi đã ở cấu trúc mactensit hợp kim Nitinol rất dễ bị biến dạng theo cơ chế sinh đôi (twined), tức là dịch chuyển nhẹ cả mặt nguyên tử để trong cấu trúc có đối xứng gương chứ không phải dịch chuyển lớn các nguyên tử như khi khuếch tán. Với cấu trúc này mactensit có thể biến dạng đàn hồi đến 8-10% trong lúc đó ở cấu trúc austenic biến dạng đàn hồi chỉ vào cỡ dưới 1%. Nếu ban đầu Nitinol ở pha austenit (nhiệt độ cao) có một hình dạng nào đấy ta làm lạnh để Nitinol chuyển sang pha mactensit rồi làm biến dạng tuỳ ý (trong giới hạn 8-10%), khi nâng cao nhiệt độ để chuyển trở lại sang pha austenit thì Nitinol hoàn toàn trở lại hình dạng ban đầu. Đó là hiệu ứng nhớ hình (shape memory effect) được ứng dụng rất rộng rãi.

Một đặc điểm khác cũng có ứng dụng phổ biến là tính chất siêu đàn hồi của Nitinol. Tính chất này cũng liên quan chặt chẽ đến chuyển pha mactensit do biến dạng. Khi ở nhiệt độ cao Nitinol ở pha austenit nếu tác dụng lực làm cho nitinol biến dạng đàn hồi đến một lúc, Nitinol sẽ chuyển sang pha mactensit và ở pha này nó có thể biến dạng đàn hồi lớn đến 8-10%. Vì Nitinol có tính biến dạng đàn hồi rất lớn như vậy nên gọi là siêu đàn hồi. Tuy nhiên thực chất ở đây là có sự chuyển pha trong quá trình biến dạng nên nói cho chính xác đó là giả đàn hồi (pseudo elastic). Hiệu ứng nhớ hình và tính chất biến dạng siêu đàn hồi làm cho nitinol trở thành vật liệu thông minh, tự mình có những hành động cần thiết để giải quyết tình hình chứ không phải là câm lặng như nhiều vật liệu thông thường khác.

Trước khi nói về những thí dụ ứng dụng vật liệu thông minh Nitinol ta chú ý rằng Nitinol thường có tỷ lệ 50 đến 51 phần trăm nguyên tử niken, tức là cỡ 55 đến 56 phần trăm trọng lượng. Sự thay đổi chút ít thành phấn sẽ dẫn đến sự thay đổi khá nhiều các tính chất, đặc biệt là nhiệt độ chuyển pha.
Bản thân titan lại là nguyên tố rất dễ kết hợp với oxy do đó việc chế tạo hợp kim nitinol đòi hỏi phải có kỹ thuật cao, kiểm tra chặt chẽ.

3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM NITINOL
1. Làm nẹp chỉnh hình hàm ràng.
Khi chỉnh hình răng, hàm răng cần phải gây ra lực thường xuyên đẩy răng, hàm răng về một phía nào đó. Việc này phải thực hiện ở trên mặt, liên quan đến nhiều cơ quan nhạy cảm như miệng, mũi và phải tiến hành lâu, có khi phải hàng tuần, hàng tháng.
Lợi dụng hiệu ứng nhớ hình người ta làm vòng nẹp bằng vật liệu nitinol, uốn nắn ở nhiệt độ cao (cỡ 35-37°C) theo hình dạng kích thước thích hợp để khi mang vào vòng nẹp tạo ra những lực có độ lớn và hướng mong muốn. Sau đó làm lạnh cho vòng nẹp chuyển sang pha mactenit và làm biến dạng sao cho rộng rãi để đeo nẹp vào. Lúc nhiệt độ cơ thể làm nóng vòng nẹp, vòng nẹp trở về hình dạng cũ tự động ép chặt vào răng lợi mà không cần có khung phụ, ốc vít điều chỉnh gì cả. Cũng theo nguyên tắc này người ta làm các nẹp chỉnh hình ở cột sống, chống bệnh cong, bệnh vẹo, làm các bộ giữ cơ, dây chằng, gân làm hồi phục sau khi bị bong.

2. Làm stent để nong mạch máu
Trong cơ thể người, hệ thống tuần hoàn máu rất phức tạp và rất hay bị sự cố, nhất là đối với người lớn tuổi, người già. Phổ biến là mạch máu bị nghẽn ở một nơi nào đó hoặc là do những mỡ trong máu hoặc là do mạch máu bị co nhỏ lại... Máu không lưu thông được có thể làm cho mạch máu phồng ra bị vỡ, hoặc là máu bị chặn lại không chảy đến đủ đế nuôi các bộ phận của cơ thể, đặc biệt là não. Trước đây phải dùng các phương pháp mổ xẻ mạch máu chỗ bị hư cắt bỏ, thay thế...
Hình 3:
a) Stent nitinol bóp nhỏ lại cho vào ống luồn lắp (bắt đầu kéo ra, phóng to một đoạn
b) Stent đã được kéo ra khỏi ống luôn lắp, phồng to tựa vào thành mạch máu 

Nhưng hiệu quả nhất lá phương pháp không mổ xẻ, từ ngoài điều khiển để thông chỗ tắc, lắp stent vào chỗ mạch máu bi co hẹp, bị rạn nút. Để thông người ta có thế làm những cài chổi bằng vật liệu Nitinon, ban đầu chổi bó lại để dễ đưa theo đường mạch máu đến nơi bị tắc, và cho chổi xoè ra để đẩy, quét xem như lọc sạch chất mỡ bẩn khỏi máu. Nhưng quan trọng hơn là phải làm stent ở chỗ mạch máu bị co hẹp hoặc bị phồng ra dễ bị nứt vỡ. Nhờ vật liệu nitinol có tính đàn hồi cao, người ta làm stent dạng ống lưới, chỉ cần chích một lỗ nhỏ ở mạch máu và bóp nhỏ ống lưới nitinol lại để qua lỗ nhỏ luồn vào bên trong mạch máu. Do tính chất siêu đàn hồi ống lưới nitinol phồng ra tựa vào thành mạch máu, vừa làm rộng vừa làm chắc cho mạch máu. Tất cả những việc này có thể thực hiện từ ngoài, không cần phải giải phẫu. Vật liệu Nitinol lại tương thích với cơ thể, không gây ra những hiệu ứng phụ, ít bám dính mỡ nên stent có thể dùng được lâu.

3. Làm gọng kính
Gọng kính cần giữ chặt được kính mắt, cần đàn hồi để bám chặt vào khuôn mặt nhưng dễ đeo và không làm khó chiu vì kính mắt phải đeo gần như cả ngày. Vật liệu Nitinol đáp ứng yêu cầu nhẹ, đàn hồi rất tốt, nhớ hình nên kính đeo mắt với gọng kính Niticol rất được ưa chuộng trên thị trường hiện nay.

4. Sử dụng trong công nghệ cao
Trong máy bay chiến đấu, phải chỉnh hướng chùm laser rất công phu bằng nhiều bộ phận phức tạp. Nay có thể thay thế bằng bộ phận đơn giản dựa trên nguyên tắc nhớ hình của nitinol. Với độ đàn hối lớn của vật liệu nitinol, có thế làm vỏ những con tàu có cửa nhưng không có bản lề lối ra như thông thường tránh được nhiều ảnh hưởng cản trở khí động. Việc nối các ống dẫn chất lỏng trong các máy bay, tên lửa cũng có thể được thực hiện bằng cách dùng các đầu nối bằng vật liệu nhớ hình, phải làm lạnh bằng nitơ lỏng cho dễ đấu nối biến dạng giãn nở khi lắp và bó chặt cứng lại khi ở nhiệt độ cao. Hiện cũng đang có nhiều nghiên cứu tìm cách sử dụng nitinol để biến đổi năng lượng làm động cơ sạch, trực tiếp biến nhiệt thành cơ.

Nitinol chỉ là một hợp kim nhớ hình và siêu đàn hồi phổ biến. Hiện nay đã có những vật liệu có tính chất như Nitinol nhưng được chế tạo từ những kim loại khác như Cu, Zn... cũng như từ các loại polyme
Thông qua việc tìm hiểu Nitinol, ta thấy rõ xu hướng nghiên cứu vật liệu thông minh đáp ứng những yêu cầu mới của khoa học công nghệ thời này.

Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh


Chia sẻ bài viết

Author:

Mong rằng những bài viết được viết và tổng hợp trên blog này sẽ cung cấp những thông tin hữu ích đến bạn. Chúc một ngày vui vẻ !

0 comments: