Fundamentos
Se dice que algunas aleaciones presentan memoria de forma cuando, después de deformar plásticamente un objeto hecho de dicha aleación, el objeto recupera su forma al someterlo a ciertos estímulos. Algunas aleaciones de cobre y hierro tienen memoria de forma, pero este efecto es muy acusado especialmente en el nitinol, una aleación de entre el 53 y el 57% en peso de níquel y el resto de titanio.
La causa más común de la recuperación de la forma tras una deformación plástica es un cambio de la estructura cristalina inducido por la temperatura, cambio que se denomina transformación matensítica. Esta transformación es característica del acero. Consiste en que a partir de cierta temperatura crítica los átomos de las redes cristalinas experimentan movimientos muy pequeños (sin difundirse a otras regiones) y extraordinariamente veloces, movimientos que provocan el cambio de una estructura cristalina conocida como de martensita a otra estructura llamada de austenita. El nitinol experimenta una transformación similar a la del acero, pero la diferencia es que en el acero es irreversible y en el nitinol es reversible[1].
El níquel tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras; la del titanio puede ser hexagonal (titanio a) o cúbica centrada en el interior (titanio b). Cuando se alean, la estructura cristalina de la forma martensítica es monoclínica, mientras que la de la forma austenítica es cúbica centrada en las caras. A su vez, la forma martensítica puede ser maclada o desmaclada.
A temperaturas por encima de la crítica es estable la forma austenítica, pero por debajo de esa temperatura el sistema se vuelve termodinámicamente inestable, por lo que los átomos se acomodan para que el conjunto gane estabilidad. Esto se puede conseguir por dos vías. Una es por desplazamiento de los planos atómicos (cizallamiento); otra es por maclado (en cristalografía una macla es una asociación de cristales gemelos orientados simétricamente respecto a un plano). En la imagen de la derecha se presenta simplificadamente la estructura cúbica de la austenita y la estructura martensítica maclada[2].
Cuando una pieza de nitinol caliente con estructura de austenita se enfría, se transforma en martensita maclada. La pieza con estructura martensítica se puede deformar sin recuperar espontáneamente la forma tras la deformación (es decir, plásticamente). La martensita mantiene básicamente su estructura a pesar de haber sido deformada. Pero al calentarla por encima de la temperatura crítica de transición de fase recupera la forma original austenítica, que es única. El efecto se manifiesta a escala macroscópica en la recuperación de la forma inicial de la pieza completa. Por eso se dice que el material tiene memoria de forma. El proceso cíclico se ilustra en la figura de la izquierda[3].
Programación de la forma
En las aplicaciones en las que se usa el nitinol por su propiedad para recuperar su forma, primero hay que programar dicha forma para que sea la forma original a la que el material siempre vuelva. Por ejemplo, supongamos que tenemos un alambre de nitinol al que le programamos la forma de la letra V. Si lo moldeamos para darle forma de la letra R y después lo convertimos en una M y finalmente en una O, al calentarlo recuperará la forma original de la V, no las intermedias. Pero ¿cómo se programa esa forma original?
Esto se hace conformando al material según se desee (como una V, en este ejemplo) y, evitando que la forma se modifique mediante algún tipo de fijación mecánica, sometiéndolo a continuación a un proceso de recocido. En la industria, el recocido se suele hacer en un horno calentado a la temperatura adecuada (en torno a 475 oC o algo más) y que contiene una atmósfera inerte (de N2 o Ar) para evitar la oxidación. En esas condiciones el recocido de un alambre de unos 0,25 mm se realiza en unos 10 minutos[4].
Ahora bien, se puede hacer el recocido de forma casera. Normalmente el nitinol que se puede adquirir en los comercios (en internet) viene enrollado en forma de alambre. Si se le quiere programar una forma distinta de la que trae de fábrica (que habitualmente es la lineal, aunque venga enrollado) hay que calentarlo. Pero hay que tener en cuenta que al alcanzar la temperatura de transición de fase (que en el nitinol es de en torno a 50 oC), el alambre tratará de enderezarse para recuperar la forma lineal. Por eso se necesita algún sistema de fijación mecánica de sus extremos. Pero una vez superada esa temperatura los átomos empezarán a moverse y reorganizarse para relajar la estructura y adaptarla a las nuevas condiciones termodinámicas. La red cristalina adoptará la forma cúbica de la austenita, quedando la estructura microscópica adaptada a la nueva forma macroscópica concreta que se le ha dado a la pieza (una V en este caso).
A la hora de hacer la programación de la forma, lo más difícil es evitar que la temperatura de la pieza supere en mucho los 500 oC, ya que esta temperatura la alcanza en segundos incluso con una vela, un mechero o un soplete de cocina. Si se trata de un alambre, este tenderá a ponerse al rojo. No debe dejarse que se ponga al rojo vivo, sino que llegue a un rojo apagado. Además, debe procurarse que se caliente por igual, moviendo rápidamente el soplete por toda la longitud del alambre o el alambre sobre el mechero. Más temperatura provocará la oxidación de la aleación, lo que cambiará la relación entre níquel y titanio metálicos y alterará las propiedades de la aleación, específicamente la temperatura de transición (una aleación de nitinol alterada puede adquirir una temperatura de transición de hasta 130 oC), o incluso fundir la pieza.
Una vez que se considere que se ha alcanzado la temperatura de 500 oC conviene templar el alambre introduciéndolo en agua fría[5]. Al enfriarse adquirirá inmediatamente la estructura martensítica manteniendo la forma macroscópica que se le haya dado (la de la letra V en este ejemplo). Ahora el alambre se puede deformar lo que se desee y, al calentarlo a la temperatura de transición de fase (unos 50 oC) recuperará la forma programada. Para ello, normalmente basta echarlo en agua caliente.
Otra opción para recocer el alambre es conectarlo a una fuente de alimentación (unos 6-9 V). De este modo se calienta más homogéneamente y es más fácil evitar un sobrecalentamiento. El calentamiento por igual de todas las partes es muy importante para que toda la pieza tenga iguales propiedades.
Experimentos
Es posible realizar experimentos con piezas de nitinol ya programadas, como la típica en forma de clip que se ve en la imagen que encabeza este documento. Basta deformar la pieza y y echarla en agua caliente (que esté a una temperatura superior a la de transformación de fase del nitinol) para que recupere la forma que se le dio en su programación de recocido.
Pero para hacer experimentos es mejor adquirir unos metros de alambre de nitinol, cortar un trozo y programarlo. No se debe exceder la temperatura de 500 oC, o al menos, si se excede, que sea durante un tiempo muy breve. Cuando adquiera un brillo rojo apagado se enfría en agua. Probablemente, el alambre que se va a usar por primera vez sea difícil de conformar en la forma deseada; en ese caso, conviene hacer un primer recocido calentándolo en toda su longitud y enfriándolo en agua. Después se puede hacer el recocido de programación de forma[6].
Si se quiere darle al alambre de nitinol la forma de un muelle hay que tener en cuenta que en las primeras fases del calentamiento para realizar el recocido el alambre tenderá a adquirir la forma con que fue programado originalmente. Por eso, hay que fijar sus extremos mecánicamente. A la derecha se ilustra una forma de hacerlo.
El recocido también se puede hacer por calentamiento eléctrico basado en el efecto Joule. Para ello se conectan los extremos del alambre a una fuente de alimentación de unos 6 – 9 V, no más. Debe apagarse la fuente cuando se observe un brillo rojo apagado. En ese momento la pieza se puede introducir en agua.
Como se ha dicho más arriba, hay que tener en cuenta que el tratamiento puede alterar la estructura y por tanto la temperatura de transición, por lo que es posible que, para que se recupere la forma, no baste agua caliente, sino que haya que calentar el alambre deformado con la llama de un mechero o de una vela.
Una vez programada la forma de una pieza se pueden hacer los experimentos que se desee. Todos se basarán en deformar el material y calentarlo ligeramente (por ejemplo, en agua caliente) para que recupere la forma programada.
La imagen siguiente ilustra un ejemplo de experimento. Se trata de la recuperación de la forma de un muelle, previamente deformado por elongación, mediante calor obtenido por efecto Joule[7].
Motor térmico de nitinol
Una aplicación muy especial del alambre de nitinol es el motor térmico, del que se muestra un modelo simple en la imagen de la derecha. Se basa en un trozo de alambre de nitinol cuya forma programada es rectilínea, pero se le da forma de aro uniéndolo por sus extremos, haciendo pasar el aro por los canales de dos ruedas de polea.
Cuando la rueda pequeña se introduzca en agua que esté a una temperatura superior a la del ambiente y se imprima un movimiento de giro en cualquier sentido a la rueda grande, que está al aire, el cable empezará a desplazarse y a hacer que las ruedas giren.
Lo que ocurre es lo siguiente. El trozo de alambre de nitinol que se encuentra en la posición 1 es relativamente recto y está frío. A medida que el cable se mueva de la posición 1 a la 2, se verá forzado a doblarse alrededor de la rueda pequeña de la polea. Al moverse de la posición 2 a la 3, el agua caliente hará que el cable de nitinol supere su temperatura de transición e intente enderezarse (ya que fue programado para ser rectilíneo), tratando de adoptar la forma dibujada con trazo discontinuo. Eso generará una fuerza de tracción, F, a lo largo del circuito. El cable también se enderezará según se mueva de la posición 3 a la 4. Después, se irá enfriando y volverá a adquirir forma cristalina matensítica, por lo que no ofrecerá resistencia a adaptarse a la forma circular de la rueda de arriba, quedando listo para otro ciclo.
Es decir, la diferencia de temperatura hará que una sección del aro se endurezca (dentro del agua caliente) y trate de adoptar una forma lineal, mientras que en el aire el nitinol se enfriará y relajará, adaptándose fácilmente al cambio de forma que le impondrá el movimiento. Las fuerzas mecánicas producidas harán que giren las ruedas de las poleas. La fuente de calor no tiene por qué ser agua; por ejemplo, se ha construido una variante que funciona con energía solar (concentrando luz solar con una lente)[8].
La dificultad del experimento probablemente esté en unir los extremos del alambre, ya que no soldarán bien. Sería mejor colocar algún tipo de pequeña abrazadera, como se muestra en la imagen de la derecha[9]. Por otro lado, hay que cerciorarse de que el alambre está programado para que tenga forma rectilínea. Si no es así, habría que recocerlo para que la adquiriera.
Inicialmente se construyeron motores térmicos de nitinol como un juguete. Un ejemplo es al barquito sobre estas líneas[10], cuya rueda de paletas gira a gran velocidad porque el nitinol, además de calentarse por un extremo, se enfría con hielo por otro, lo que acelera su vuelta a la estructura martensítica. Posteriormente se han hechos motores más potentes de este tipo. Por ejemplo, en 1982 se construyó un motor de 30 anillos de alambre de nitinol de 0,56 mm. Ese motor se probó utilizando un baño de agua caliente a 55 oC a una temperatura del aire de unos 25 oC. Alcanzó una velocidad de 270 rpm y continuó funcionando durante año y medio sin fallas. Para entonces, el alambre de nitinol se había sometido a 2,1 x 108 ciclos sin ninguna rotura o degradación observable en su rendimiento[11].
Seguridad y recomendaciones
Lógicamente, en este experimento hay serios riesgos de quemaduras. Deberían usarse guantes de protección térmica.
Utilidad didáctica
Este experimento sirve para ilustrar conceptos básicos de física y química como:
- Aleaciones
- Transformaciones de fases (transformación matensítica)
- Estructuras cristalinas
- Fusión de metales
- Recocido y templado de metales
- Efecto Joule
- Corriente continua
[1] Memry Corporation. Introduction to Nitinol (2017).
[2] J. C. Chekotu et al. Materials 12 (2019) 809, doi.org/10.3390/ma12050809.
[4] B. Wieczorek et al. Technical Transactions 11 (2017) 221-232 [PDF] dx.doi.org/10.4467/2353737XCT.17.201.7432
[5] Memry Corporation, op.cit.
[6] Instructables: How to Form Memory Wire Nitinol : 11 Steps (with Pictures) – Instructables
[7] Kentchemistry.com. Electrocution of Nitinol – YouTube.
[8] Images Scientific Instruments. Nitinol Heat Engines (imagesco.com).
[9] Latheman’s crazy machines. Cheap Nitinol Engine. Youtube (2016).
[10] Images Scientific Instruments, op. cit.
[11] Images Scientific Instruments, op. cit.
Este experimento pertenece al libro:
José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .
