Las aleaciones con memoria de forma son materiales que pueden ser deformados a temperatura ambiente con carácter permanente pero que al calentarlos recobran su configuración original. Esto se debe a un efecto térmico que en definitiva hace que el material responda de forma tangible y controlable a un estímulo externo, en este caso la temperatura, por lo que muchos autores lo catalogan dentro de los materiales inteligentes, que serían aquellos que producen una reacción controlable ante un estímulo dado. Cabe mencionar que también existen aleaciones con memoria de forma magnética, en las que el efecto de memoria no responde a un estímulo térmico sino que se induce mediante la aplicación de campos magnéticos, como sucede en las aleaciones Heusler (apartado 3.9).
Existen varias aleaciones metálicas que presentan este efecto tan llamativo. Algunas de ellas, como el sistema Au-Cd, se describieron en la década de 1930 y también existen otras aleaciones de base ferrosa o de cobre con características similares. Sin embargo, la aleación con memoria de forma más popular es la que constituye el sistema Ni-Ti en proporciones equimolares[1], descubierto en la década de 1960 por investigadores de la Marina de Estados Unidos, quienes popularizaron y comercializaron la aleación bajo el nombre de nitinol, un acrónimo de Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories. Pese a que hoy día existen otras aleaciones comerciales, incluso más baratas, y materiales con memoria de forma de naturaleza no metálica, lo cierto es que el nitinol se ha impuesto como la opción preferente para la mayoría de las aplicaciones debido a sus mejores propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión y su gran estabilidad. El descubrimiento del nitinol fue, como ocurre muchas veces, por pura casualidad, ya que se calentó una muestra que había sido desechada por estar doblada y sorprendentemente recobró su forma original únicamente por la acción del calor. En la figura 3.10 puede observarse en qué consiste este efecto. Se trata de una varilla de nitinol que ha sido doblada por dos zonas distintas, como se muestra en el cuadro 3.10a. Al introducirla en agua caliente puede observarse en los cuadros sucesivos cómo se va recuperando progresivamente la forma lineal que poseía originalmente la varilla.
Para entender qué les ocurre a estas aleaciones para que puedan recobrar su forma de modo tan sorprendente debemos descender al mundo microscópico y analizar la estructura cristalina de esta aleación, donde se encuentra la respuesta. La explicación no es trivial y está relacionada con la existencia de varias fases cristalográficas cuyas transformaciones son completamente reversibles, a diferencia de lo que ocurre normalmente en la mayoría de los sistemas. Aquí nos restringiremos al caso del nitinol, pero el mecanismo es análogo en otras aleaciones con memoria de forma.
A altas temperaturas, la estructura cristalina del Ni-Ti equimolar es cúbica y puede trabajarse por conformado mecánico. Sin embargo, a temperaturas más bajas aparecen otras fases cristalinas de menor simetría que no pueden deformarse con facilidad porque carecen de tantos sistemas de deslizamiento como la fase cúbica. Por tanto, al alcanzar la temperatura ambiente se generan muchas deformaciones internas en el material que se solucionan con la aparición de maclas, unos defectos cristalográficos extendidos que consisten en agrupaciones simétricas de cristales idénticos. Las maclas surgen cuando dos redes cristalinas de la misma simetría pero con distintas orientaciones comparten algún plano con algunos átomos comunes. La aparición de maclas permite minimizar la energía de la fase de baja temperatura y soportar las deformaciones que se le impusieron a la fase cúbica de alta temperatura. En ese estado, con gran densidad de defectos, el material permite grandes deformaciones plásticas ya que lo que ocurre es que las maclas pueden ir desapareciendo para permitir la deformación del material. De esta forma, pese a la deformación evidente, no se están rompiendo enlaces químicos y todos los átomos guardan la misma posición relativa entre ellos, puesto que lo que se está haciendo es deshacer los planos de macla. No obstante, si el material es calentado de nuevo, se obtendrá otra vez la fase cúbica pero recobrando su forma original, tal como se esquematiza en la figura 3.11. Este efecto se manifiesta a escala macroscópica con la recuperación de la forma inicial de la pieza deformada.
En realidad, la situación es algo más complicada[4], ya que no solo existe una fase de baja temperatura, sino varias como las que se muestran en la parte inferior de la figura 3.11. La fase de alta temperatura es cúbica y se denomina en la bibliografía especializada como B2 y genéricamente como fase austenítica, mientras que existen hasta tres fases de baja temperatura de menos simetría como la B19, que cristaliza en un sistema ortorrómbico, y la B19’, que lo hace en un sistema monoclínico. La tercera fase se llama R (no se muestra en la figura) y es de carácter metaestable. A veces aparece como estado intermedio en la transición entre las estructuras B2 y B19’. A estas fases de baja temperatura se las denomina martensíticas. Esta terminología se toma prestada de los aceros debido a que las transiciones de fase entre la estructura B2 y las otras son de tipo martensítico.
Las transiciones de fase en sólidos se producen normalmente mediante procesos de difusión en los que los átomos migran de sus posiciones de equilibrio ocupando otras posiciones para adoptar una nueva configuración en la nueva fase. Este tipo de transiciones ocurren lentamente, por lo que requieren de cierto tiempo para completarse. Por el contrario, existe otro tipo de transformaciones en las que prácticamente no hay difusión y se producen de forma casi instantánea, como vimos al tratar sobre el temple de los aceros (apartado 2.1). El caso del nitinol es bastante similar. Como vemos en la estructura B2 de la figura 3.11, la celda cúbica está muy relacionada con una fase tetragonal a la que se puede acceder tras un desplazamiento colectivo mínimo de casi la totalidad de los átomos constituyentes, para dar lugar finalmente a las fases ortorrómbicas o monoclínicas B19 o B19’. Es algo similar a lo que ocurre en los aceros cuando la austenita se transforma en martensita mediante el templado. Pero, al contrario de lo que sucede en los aceros, esta transformación es completamente reversible con la temperatura y de hecho presenta un comportamiento de histéresis muy similar al explicado en los imanes permanentes (apartado 3.3). Debido a las pérdidas de energía en cada ciclo, el proceso de deformación-recuperación no puede llevarse a cabo en un número ilimitado de ciclos.
En cuanto a las aplicaciones del nitinol, no difieren excesivamente de las del titanio. Por un lado, se usan en la industria aeroespacial y automovilística para fabricar determinadas piezas, mientras que la aplicación más relevante en la actualidad es la biomédica. En concreto, se hacen de nitinol determinados dispositivos, especialmente para intervenciones cardiovasculares. Por ejemplo, las mallas extensibles llamadas estents que se utilizan para abrir arterias, venas y otros conductos de cuerpo obstruidos o tapados. Dada la capacidad de autoexpandirse de las aleaciones con memoria de forma como el nitinol, estas son especialmente apropiadas para esta aplicación, justificando su mayor coste con respecto a otros materiales como el acero inoxidable. Se calcula que aproximadamente el 50% de los estents se fabrican actualmente de nitinol.
[1] W. J. Buehler et al. J. Appl. Phys. 34 (1963) 1475 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1729603; F. E. Wang et al. J. Appl. Phys. 36 (1965) 3232. https://doi.org/10.1063/1.1702955.
[2] L. Sun et al. Mater. Des. 33 (2012) 577-640. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.04.065.
[3] Las celdas unidad han sido obtenidas por métodos de primeros principios en X. Huang et al. Nat. Mater. 2 (2003) 307-311. https://doi.org/10.1038/nmat884.
[4] Para una discusión mucho más detallada sobre la cristalografía del sistema Ni-Ti puede consultarse K. Otsuka y X. Ren. Prog. Mater. Sci. 50 (2005) 511-678. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2004.10.001.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
