I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology e della Germania hanno dimostrato per la prima volta i fenomeni della memoria di forma e dell'autoguarigione nelle microparticelle d'oro. Raggiunto attraverso la diffusione mediata da difetti nella particella, la scoperta potrebbe un giorno portare allo sviluppo di micro e nano-robot in grado di autoripararsi; componenti e dispositivi meccanicamente stabili e resistenti ai danni; e somministrazione mirata di farmaci.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Advanced Science, è stato condotto dal dottorando Oleg Kovalenko e dal dottor Leonid Klinger, guidato dal Prof. Eugen Rabkin del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali Technion, insieme al Dr. Christian Brandl del Karlsruhe Institute of Technology, Germania (KIT).

I materiali a memoria di forma sono caratterizzati dalla capacità di riparare i danni loro causati (come la deformazione plastica) e di recuperare la loro forma originale. Questi materiali possono esistere in due forme cristalline stabili, o fasi:austenite, quale è la forma primaria più simmetrica stabile a temperature elevate; e martensite, che è una fase caratterizzata da una minore simmetria, ma anche da una maggiore forza. Un noto esempio di transizione tra le due fasi è la tempra dell'acciaio.

La trasformazione della fase austenitica in martensite può essere attivata applicando un carico meccanico al materiale, oppure facendolo raffreddare. La struttura a bassa simmetria della martensite consente al materiale di assorbire notevoli sollecitazioni plastiche riorientando i cristalli distorti di martensite secondo la direzione della sollecitazione ad esso applicata. Anche dopo la deformazione plastica, i cristalli di martensite "ricordano" la loro fase di austenite madre e sono in grado di riportarla nella sua configurazione originale. Questo accadrà se il materiale viene riscaldato, provocando la trasformazione inversa di fase martensite-austenite e trasformando l'energia termica in energia meccanica che riporterà il materiale alla sua forma originale.

Fino ad ora, questo effetto a memoria di forma è stato osservato solo in pochissime leghe metalliche come il Nitinol (Ni-Ti). Queste leghe sono caratterizzate da polimorfismo – molteplicità di possibili fasi cristalline stabili. Questa è la prima volta che il fenomeno della memoria di forma è stato dimostrato in particelle d'oro sub-micrometriche. I ricercatori hanno intaccato le particelle d'oro con una punta di diamante affilata controllata da un microscopio a forza atomica (AFM). La ricottura delle particelle dentellate ad una temperatura di 600°C (circa il 65% della temperatura assoluta di fusione dell'oro) ha portato alla completa guarigione del danno e al ripristino della forma originale delle particelle prima della deformazione.

Secondo il prof. Rabkin, la scoperta dell'effetto memoria di forma in queste particelle è sorprendente per due motivi:"In primo luogo, la forma originaria delle particelle non era perfetta in termini di energia ed equilibrio termodinamico. Secondo, l'oro allo stato solido non è caratterizzato da polimorfismo."

Per comprendere a fondo il processo, i ricercatori hanno studiato il movimento atomico durante l'indentazione e il riscaldamento, utilizzando simulazioni al computer di dinamica molecolare atomica. Hanno dimostrato che la deformazione plastica durante il processo di indentazione è mediata dalla nucleazione e dallo scorrimento delle semi-anse di dislocazione (le dislocazioni sono lineari, difetti unidimensionali del cristallo attraverso cui subisce deformazione plastica). Le anse che escono dalle superfici libere formano terrazze e sporgenze sulle facce piane della particella, e questi servono come "rotaie di guida" che dirigono la diffusione degli atomi d'oro al sito frastagliato durante la ricottura ad alta temperatura. Così la particella ritrova la sua forma originale.

Come il caffè che torna da solo nella tazzina

Sia la deformazione plastica che la diffusione guidata dai capillari sono esempi classici di processi termodinamicamente irreversibili. È notevole che una combinazione di due processi irreversibili può portare al recupero del danno e al ripristino reversibile di una forma di particella. Per capire quanto sia sorprendente questo processo, pensa al caffè versato che salta indietro dal pavimento nella tazza, o un'auto che recupera la sua forma originale dopo essere stata totalizzata in un incidente.

Il prof. Rabkin afferma che l'effetto auto-guarigione scoperto e la memoria di forma nelle nanoparticelle e microparticelle metalliche potrebbe essere utilizzato per la progettazione di componenti e dispositivi meccanicamente stabili e resistenti ai danni su una scala di lunghezza inferiore al micrometro.

Per esempio, uno dei principali motivi di guasto dei dispositivi elettronici mobili (come tablet e smartphone) è l'usura meccanica dei contatti elettrici. Progettare una geometria di contatto basata sull'effetto memoria di forma scoperto può risolvere questo problema una volta per tutte:la corrente elettrica che scorre attraverso il contatto elettrico danneggiato riscalderà l'area di contatto, e il calore sarà utilizzato per riparare il danno meccanico del contatto. Un altro possibile utilizzo è la somministrazione controllata di farmaci in zone specifiche del corpo del paziente. Per questa applicazione, dovrebbero essere progettate le particelle in grado di recuperare la loro forma a temperature più basse. Un farmaco può essere iniettato nella cavità sulla superficie della particella prodotta per indentazione, e rilasciato dopo il riscaldamento.