Los materiales con memoria de forma son aquellos que tienen la capacidad de ser deformados y luego recuperar su forma original al ser sometidos a un estímulo externo, como por ejemplo cambios de temperatura. Estos materiales presentan una transición en su estructura interna, lo que les permite cambiar de un estado laminar y fibrilar a un estado cúbico, recuperando así su forma original. Un ejemplo notable de material con memoria de forma es el Nitinol, una aleación de níquel y titanio.
Otro ejemplo de materiales con memoria de forma incluye las aleaciones de cobre, zinc y aluminio (Cu-Zn-Al), así como las aleaciones de cobre, aluminio y níquel (Cu-Al-Ni). También encontramos las aleaciones de hierro, manganeso y silicio (Fe-Mn-Si). Estos materiales ofrecen una amplia variedad de posibilidades en cuanto a aplicaciones y propiedades.
Los materiales con memoria de forma tienen numerosas aplicaciones en diversos campos. En el sector de la salud, se utilizan para abrir obstrucciones en el organismo mediante stents, ofreciendo una alternativa menos invasiva a las cirugías tradicionales. Además, se emplean en la fabricación de implantes dentales y herramientas quirúrgicas, gracias a su capacidad de recuperar su forma original luego de haber sido deformados.
Estos materiales también encuentran uso en el sector del transporte, donde se utilizan para modificar la geometría de las carrocerías y mejorar la aerodinámica de los vehículos. Asimismo, son ampliamente empleados en componentes aeroespaciales debido a su ligereza, resistencia y capacidad de operar a altas temperaturas. También se utilizan en objetos de uso cotidiano, como por ejemplo sujetadores con aros y colchones.
Qué son los materiales con memoria de forma y cómo funcionan
Los materiales con memoria de forma son aquellos capaces de “recordar” su forma original y volver a ella después de haber sido deformados. Este efecto de memoria puede ser producido por cambios térmicos o magnéticos. Estos materiales son elásticos y pueden adoptar la forma necesaria cuando se exponen a altas temperaturas.
Existen cuatro clases diferentes de materiales con memoria de forma:
- Aleaciones con memoria de forma (SMAs)
- Cerámicas con memoria de forma (SMCs)
- Polímeros con memoria de forma (SMPs)
- Aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma (FSMAs)
Uno de los principales materiales con memoria de forma es el Nitinol, una aleación de níquel y titanio. El Nitinol tiene propiedades de memoria de forma excelentes, así como buenas propiedades eléctricas y mecánicas, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión. Presenta diferentes propiedades típicas de las aleaciones con memoria de forma, como la transformación martensítica termoelástica, memoria de forma simple, memoria de forma doble, superelasticidad, pseudoelasticidad y capacidad de amortiguamiento.
El estado por el cual estos materiales recuperan su forma es resultado de la transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, la austenita y la martensita. En el estado de martensita, el material es fácilmente deformable, pero al calentarse por encima de su temperatura de transformación, experimenta un cambio en la estructura de cristal que hace que recupere su forma original.
El Nitinol y otros materiales con memoria de forma tienen una amplia gama de aplicaciones en electrónica, mecánica y medicina. Se utilizan en:
- Teléfonos inteligentes.
- Robótica.
- Dispositivos médicos.
Estos materiales también se utilizan en aplicaciones como:
- Marcos de lentes.
- Palos de golf.
- Termostatos.
- Conectores eléctricos.
- Pantallas solares.
- Abrazaderas.
- Elementos vibratorios estructurales.
Además, se utilizan en aplicaciones biomédicas debido a su buen comportamiento a la corrosión, biocompatibilidad y citotoxicidad.
Se espera que en los próximos años se produzcan en masa estos materiales con memoria de forma, lo que permitirá su uso en una mayor variedad de aplicaciones.
Ejemplos de materiales con memoria de forma
Los ejemplos de materiales con memoria de forma mencionados en el texto son las aleaciones de cobre-zinc-aluminio, níquel-titanio y hierro-manganeso-silicio. Estos materiales son capaces de recordar y recuperar su forma original después de ser deformados, ya sea por calentamiento o por la aplicación de una fuerza mecánica.
Las aleaciones de cobre-zinc-aluminio, también conocidas como aleaciones de memoria de forma de baja temperatura, son utilizadas en aplicaciones como gafas de anteojos o brackets dentales. Estos materiales ofrecen la ventaja de poder recuperar su forma original cuando se someten a cambios de temperatura moderados.
Por otro lado, las aleaciones de níquel-titanio son ampliamente utilizadas en el campo médico debido a su biocompatibilidad. Esto significa que son seguras para su uso dentro del cuerpo humano. Estas aleaciones se utilizan en aplicaciones como stents vasculares, endoprótesis cardiacas y dispositivos de ortodoncia.
Otro ejemplo mencionado son las aleaciones de hierro-manganeso-silicio, las cuales son utilizadas en aplicaciones industriales y estructurales. Estos materiales se utilizan para corregir desviaciones óseas en humanos, mantener unidos tubos metálicos en lugares de instalaciones donde soldar resulta complejo, liberar remotamente una antena en un satélite artificial, y como material constitutivo de marcos de ventanas u otras instalaciones en construcciones sismo-resistentes.
Aplicaciones de los materiales con memoria de forma
Los materiales con memoria de forma son aleaciones fuertes y livianas que pueden programarse para recordar su forma original. Estos materiales se mueven entre dos estados cristalinos sólidos llamados austenita y martensita. A temperaturas más bajas, toman la forma de martensita, que es relativamente suave y fácil de moldear; a una temperatura más alta, se transforman en austenita, que es un material más duro y difícil de deformar. Algunas aleaciones con memoria de forma recuerdan una forma cuando están calientes y otra diferente cuando están frías, lo que se conoce como efecto de memoria de forma bidireccional.
El nitinol, una aleación de níquel-titanio, es la aleación con memoria de forma más conocida, pero también existen otras aleaciones hechas de cobre, zinc, aluminio, hierro, manganeso y silicio. Estos materiales con memoria de forma tienen numerosas aplicaciones en diferentes campos.
- Aplicaciones médicas: Los materiales con memoria de forma se utilizan en equipos médicos y material sanitario debido a su capacidad de esterilización. Por ejemplo, se utilizan en implantes dentales y herramientas quirúrgicas. Además, su capacidad de cambiar de forma con la temperatura permite el uso de stents, que son dispositivos que se insertan en los vasos sanguíneos para mantenerlos abiertos.
- Aplicaciones en la vida cotidiana: Los materiales con memoria de forma también se encuentran en objetos de uso cotidiano. Por ejemplo, se utilizan en sujetadores con aros para proporcionar una forma específica y soporte. Además, las gafas con montura de memoria de forma se adaptan a diferentes formas faciales sin perder su forma original.
- Aplicaciones aeroespaciales: Los materiales con memoria de forma se utilizan en componentes aeroespaciales debido a su resistencia, ligereza y capacidad de operar a altas temperaturas. Por ejemplo, se utilizan en cohetes espaciales y sondas espaciales, donde la confiabilidad y resistencia son cruciales.
A pesar de sus ventajas, los materiales con memoria de forma también presentan algunas desventajas, como su fatiga después de deformaciones repetidas y su mayor costo de fabricación en comparación con las aleaciones de acero o aluminio tradicionales. Sin embargo, se está trabajando en el desarrollo de polímeros de memoria de forma para superar estas limitaciones y ampliar aún más las aplicaciones de estos materiales.
Importancia de los materiales con memoria de forma en industrias
Los materiales con memoria de forma son de gran importancia en diversas industrias debido a su capacidad para recuperar su forma original después de sufrir una distorsión aparentemente permanente. Estos materiales, que pueden ser aleaciones metálicas o polímeros, tienen aplicaciones en la ingeniería aeroespacial, la medicina y la robótica.
En la ingeniería aeroespacial, los materiales con memoria de forma se utilizan en estructuras desplegables, lo que facilita el despliegue y plegado de componentes espaciales. Esto ha permitido avances significativos en el diseño y la fabricación de satélites, cohetes y otros dispositivos aeroespaciales. Al recuperar su forma original, estos materiales contribuyen a reducir costos y mejorar la eficiencia.
En el campo de la medicina, los materiales con memoria de forma se emplean en endoprótesis vasculares y dispensadores de fármacos. Estos dispositivos pueden adaptarse a la forma de los vasos sanguíneos y liberar medicamentos de manera controlada gracias a la capacidad de recuperación de estos materiales. Esto ha revolucionado los tratamientos médicos y ha mejorado la calidad de vida de muchos pacientes.
Además, en la robótica, los materiales con memoria de forma se utilizan en sistemas micro y nanoelectromecánicos debido a su efecto a tamaño nanométrico. Esto ha permitido el desarrollo de robots más pequeños y precisos, con aplicaciones en diversas áreas como la exploración espacial, la industria manufacturera y la medicina. Estos avances han abierto nuevas posibilidades en el campo de la robótica y han contribuido al progreso tecnológico en general.
Ventajas y desventajas de los materiales con memoria de forma
Los materiales con memoria de forma son una clase de materiales que presentan la propiedad de volver a su forma original después de haber sido deformados. Estos materiales tienen diversas aplicaciones en campos como la medicina, la industria y la robótica, entre otros. A continuación, se presentarán las ventajas y desventajas de los materiales con memoria de forma.
Ventajas de los materiales con memoria de forma:
- Elevada relación fuerza-peso: Los materiales con memoria de forma tienen una alta resistencia y rigidez, a pesar de su bajo peso. Esto los convierte en materiales ideales para aplicaciones donde se requiere resistencia pero también se busca reducir el peso del componente.
- Simplicidad mecánica: Estos materiales son relativamente simples en su diseño y funcionamiento. Debido a su capacidad de recuperar su forma original de manera automática, no requieren de mecanismos adicionales complicados para su funcionamiento. Esto simplifica su fabricación y reduce los costos asociados.
- Fácil miniaturización: Los materiales con memoria de forma pueden ser fabricados en tamaños muy pequeños, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere miniaturización. Por ejemplo, en la fabricación de dispositivos médicos como stents coronarios.
- Limpieza y bajo ruido: Estos materiales son altamente limpios y producen poco ruido durante su deformación y recuperación. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde se requiere un funcionamiento silencioso, como en dispositivos médicos o en la industria aeroespacial.
- Alta biocompatibilidad: Los materiales con memoria de forma son biocompatibles, lo que significa que son bien tolerados por el cuerpo humano. Esto los hace ideales para aplicaciones en medicina, como en la fabricación de implantes o dispositivos biomédicos.
- Excelente resistencia a la corrosión: Estos materiales tienen una alta resistencia a la corrosión, lo que los hace adecuados para su uso en entornos corrosivos, como en aplicaciones marinas o en la industria química.
- Precio no muy elevado: A pesar de sus propiedades y aplicaciones diversas, los materiales con memoria de forma no suelen ser muy costosos. Esta relación calidad-precio los convierte en una opción atractiva para diversas industrias.
Desventajas de los materiales con memoria de forma:
- Baja eficiencia energética: Estos materiales requieren de una fuente externa de energía para cambiar su forma y recuperar su forma original, lo que puede ocasionar una disipación de energía considerable y reducir su eficiencia energética.
- Degradación y fatiga: Los materiales con memoria de forma pueden sufrir degradación y fatiga tras múltiples ciclos de deformación y recuperación. Esto puede limitar su vida útil y afectar su rendimiento a largo plazo.
- Baja velocidad: La recuperación del material a su forma original puede ser un proceso lento, lo que puede limitar su uso en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida y precisa.
- Control impreciso: El control de la deformación y recuperación de estos materiales puede ser un desafío, ya que requiere de sistemas de control precisos y sofisticados. Esto puede afectar su aplicabilidad en algunas industrias.
Situación de los materiales con memoria de forma en México
En México, la investigación y el desarrollo de materiales con memoria de forma ha estado en constante crecimiento en los últimos años. Recientemente, la investigadora Míriam Sáenz Pérez de la Universidad del País Vasco ha llevado a cabo un crucial proyecto en el país, sintetizando fibras y tejidos a partir de poliuretanos con memoria de forma.
Estos materiales son polímeros capaces de cambiar de forma cuando se someten a un estímulo externo, como el calor. Además, presentan una recuperación mayor del 99%, lo que los hace altamente versátiles y funcionales.
Las aplicaciones de los poliuretanos con memoria de forma son diversas y van desde el ámbito automotriz y la biomedicina, hasta la industria textil y del calzado. En este último sector, la capacidad de cambiar de forma y adaptarse a la temperatura corporal hace que los tejidos con memoria de forma sean especialmente interesantes.
Instituciones Mexicanas Investigación Materiales con Memoria de Forma
México se destaca por su activa participación en la investigación de materiales con memoria de forma. Una de las instituciones mexicanas que lidera este campo es la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). La UNAM cuenta con reconocidos investigadores y laboratorios especializados en el estudio y desarrollo de estos materiales. Su trabajo ha permitido avances significativos en la comprensión de las propiedades y aplicaciones de los materiales con memoria de forma en diversas industrias.
Otra institución mexicana que ha contribuido en la investigación de materiales con memoria de forma es el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV). Este centro de investigación ha realizado estudios exhaustivos sobre polímeros con memoria de forma y su comportamiento térmico, mecánico y de recuperación. Los resultados obtenidos han sido fundamentales para la aplicación de estos materiales en la industria textil, del calzado y la biomedicina.
Además, el Instituto Politécnico Nacional (IPN) también ha desempeñado un papel destacado en la investigación de materiales con memoria de forma. Sus investigadores han trabajado en la síntesis y caracterización de poliuretanos con memoria de forma, analizando su comportamiento físico y aplicaciones potenciales. El IPN ha colaborado estrechamente con otras instituciones mexicanas y extranjeras, fortaleciendo así el conocimiento y desarrollo de estos materiales en México.
