looduskalender.ee

Tekst ja fotod: Jaak Kikas, TÜ Füüsika Instituut

 

… sel silm peast välja, ütleb eesti vanasõna. Pika viha pidamine pole pole tõpoolest hea – eelkõige pidajale endale. Samas on mälu inimesele üpris vajalik ja kasulik omadus. Egas ilmaasjata infosalvestus, selleks sobivad materjalid ja meetodid pole tähtsal kohal inimkonna tehnoloogilises arengus – Mesopotaamia savitahvlitest tänapäevaste DVD-de ja mälukaartideni. Infosalvestamiseks kasutatavad mälud on kas optilised, magnetilised või elektrilised. On aga materjale, mis peavad meeles … oma kuju. Sellistest materjalidest valmistatud esemeid võib tundmatuseni deformeerida, nad taastavad aga oma esialgse kuju mõningasel kuumutamisel. Teatud metallisulamite selline omadus oli tuntud juba 1930-tel aastatel, selliste materjalide kõige populaarsem ja praktiliselt kasulikeimaks osutunud esindaja avastati aga aastal 1962 USA mereväe uurimislaboris Naval Ordinance Laboratory (NOL). See lugu sobib illustreerima nii mõne teisegi avastusega kaasnenut:

·        kuigi sageli on vahetu sündmus, mis viib uue avastuseni, juhusliku loomuga, poleks see saanud toimuda eelloota, mis pole kaugeltki sama juhuslik

·        avastuse (leiutise) kõige olulisemad rakendused on sageli väljaspool seda ala, millega seoses see avastus tehti

Meie loo kangelaseks saanud nikli ja titaani sulamit uuriti eesmärgiga leida kuuma- ja korrosioonikindlaid materjale. (Niklist, titaanist ja Naval Ordinance Laboratory nimest tuletati ka sulami nimetus nitinol). Selleks vahetuks sündmuseks, mis viis avastusele, võib pidada juhtumit, kus NOL ühel töökoosolekul asedirektor Dr. David Muzzey kõveraks keeratud nitinoltraadi oma piibukaha kohale kuuma asetas, mispeale traat äkitselt ja ootamatu jõuga sirgestus. Sulamiga juba mõnda aega tegelenud William J. Buehlerile, nitinoli avastajale, ei tulnud aine selline käitumine aga täieliku üllatusena. Oli olemas juba mitmeid eelnevaid täheldusi, et midagi ebatavalist peab selles materjalis aset leidma. Näiteks võib tuua ebahariliku asjaolu, et kui kõrgematel temperatuuridel vastas nitinolvarras löögile puhta kauakestva helinaga, siis toatemperatuuril oli vasteks lühike tuhm kolks, nagu seda võib kuulda pliieseme pihta löömisel.

Nitinoli (ja teiste kujumäluga sulamite) ebaharilikud omadused on tingitud kahest asjaolust:

1.      Nende madalatempertuurses faasis toimuv plastne (sellel temperatuuril pöördumatu) deformatsioon erineb põhimõtteliselt sellest, mis toimub enamikus teistes metallides ja sulamites. Kui viimastes on see protsess seotud teatud defektide (dislokatsioonide) tekke ja liikumisega, siis deformatsioon nitinolis toimub aine regulaarse kristallstruktuuri muutuste kaudu. Võib ette kujutada, et nitinoli madalatemperatuurses faasis võivad kristallirakud olla ühte- või teistpidi kaldu. Metallitüki kui terviku kuju muutus on siis põhjustatud lihtsalt ühte- ja teistpidi kaldu rakukeste suhtearvu muutustest.

2.      Suhteliselt madalal temperatuuril toimub kujumäluga sulamites soojendamisel faasisiire, mille käigus kristalli rakukesed omandavad kuubilise kuju. Seega kaob kogu info sellest, mispidi nad madalamal temperatuuril just kaldu olid, st kaob kogu deformatsioon ja taastub esialgne olek. Temperatuur, millisel see siire aset leiab, on nitinolis Ni/Ti suhtega paarisaja kraadi piirides reguleeritav.

Kuidas saab nitinolist detailile soovitud kuju “meelde jätta”? Selleks lõõmutatakse seda fikseeritud kujul mõnda aega suhteliselt kõrgel temperatuuril (500 … 600 °C). Selle tulemusel kaovad detailist sisepinged, mis selle soovitud kujule viimisega, näiteks sirge traadi keeramisel ümber silindri vedru saamiseks, tekkisid. Pärast jahutamist ja kinnitustest vabastamist olemegi saanud näiteks soovitud kujuga vedru.

Muidugi on selliste ebatavaliste omadustega materjalil ka mitmeid rakendusi, ehk mitte väga massilisi, aga õige erinevaid: detailid, mis võtavad vajaliku kuju töötemperatuurini jõudmisel, veresooni laiendavad stendid meditsiinis, temperatuuri muutusele reageerivad termoandurid-aktuaatorid jt.

Kõrgtemperatuurses kuubilises (austeniitses) faasis on nitinolil veel üks omadus – ta ei allu Hooki seadusele. Viimase kohaselt on elastse keha deformatsioon (näiteks venitatava varda pikenemine) võrdeline seda põhjustava jõuga. Nitnoli korral võib jõud jääda konstantseks suures elastse (pöörduva) deformatsiooni ulatuses. Selliseid materjale kutsutakse superelastikuteks ja nad on leidnud kasulikke rakendusi stomatoloogias aga mujalgi (elastsed prilliraamid, mobiiltelefonide väljatõmmatavad antennid).

Aga ka meie päris igapäevases käibes on üks materjal, millele on omane kujumälu, kuigi me seda ei kasuta. Selles saab igaüks veenduda, kui võtab tühja jogurtitopsi ja asetab selle praeahju. (Peske tops enne ikka puhtaks ka.) 140 °C kraadi juures omandab tops kümnekonna minutiga tasapinnalise ketta kuju. Just selline oli materjal, millest see tops kunagi valmistati. Taolised plastid – termoelastikud – on kõrgemal temperatuuril venivas kummitolises olekus, kus neile saab hõlpsalt pressimisega soovitud kuju anda. Päras venitatud olekus mahajahutamist antud kuju säilub – kuniks me kuumutamisega ei anna materjalile uuesti seesmist vabadust taastada esialgne kuju, mis sellel kogu aeg meeles püsib. Nähtuse mikroskoopiliseks põhjuseks on polümeeri molekulaarahelate liikumisvabaduse oluline sõltuvus temperatuurist.

Täpsemat infot “Materjalimaailma” artiklist “Kujumäluga sulamid”, kust leitavad ka mõned nitinoli käitumist ilmestavad videoklipid.