В мире коммерческих материалов легче и дешевле, как правило, лучше, особенно когда эти атрибуты сочетаются с превосходной прочностью и особыми свойствами, такими как способность материала помнить свою первоначальную форму после того, как он был деформирован физическим или магнитная сила.
Новый класс материалов, известных как «магнитные пены с памятью формы», был разработан двумя исследовательскими группами под руководством Питера Мюлльнера из Университета штата Бойсе и Дэвида Дананда из Северо-Западного университета.
Пена состоит из никель-марганцево-галлиевого сплава, структура которого напоминает кусок швейцарского сыра с небольшими пустотами между тонкими изогнутыми «распорками» материала. Стойки имеют зернистую структуру, похожую на бамбук, которая может удлиняться или растягиваться до 10 процентов при приложении магнитного поля. Деформация - это степень деформации материала под нагрузкой. В данном случае сила исходила от магнитного поля, а не от физической нагрузки. Сила магнитных полей может распространяться на большие расстояния, что делает их выгодными для многих приложений. Материал сплава сохраняет свою новую форму, когда поле выключается, но магниточувствительная атомная структура возвращается к своей первоначальной структуре, если поле поворачивается на 90 градусов - явление, называемое «магнитной памятью формы».
Изготовление больших монокристаллов материала сплава слишком медленно и дорого, чтобы быть коммерчески выгодным - одна из причин, почему драгоценные камни такие дорогие - поэтому исследователи делают поликристаллические сплавы, которые содержат много мелких кристаллов или зерен. Традиционные поликристаллические материалы не являются пористыми и демонстрируют почти нулевые деформации из-за механических ограничений на границах между каждым зерном.
Напротив, монокристалл демонстрирует большую деформацию, поскольку отсутствуют внутренние границы. Вводя пустоты в поликристаллический сплав, исследователи создали пористый материал, который имеет меньше внутренних механических ограничений и демонстрирует достаточно большую степень деформации.
Исследователи создали новый материал, залив расплавленный сплав в кусок пористой соли алюмината натрия. Когда материал остыл, они выщелачивали соль кислотой, оставляя после себя большие пустоты. Затем исследователи подвергли пористый сплав воздействию вращающегося магнитного поля. Уровень деформации, достигаемый после каждого из более чем 10 миллионов оборотов, соответствует лучшим из используемых в настоящее время магнитных приводов, и Мюлльнер и Дунанд рассчитывают значительно улучшить деформацию, когда они еще больше оптимизируют архитектуру пены.
«Материал из основного сплава был известен ранее, но он был не очень эффективен для приложений с памятью формы», - сказал Дюнан.«Пористая природа материала усиливает эффект изменения формы, что делает его хорошим кандидатом для крошечных устройств управления движением или биомедицинских насосов без движущихся частей».
Директор программы NSF Харш Дип Чопра соглашается. «Это первая пена, обладающая магнитной памятью формы - она имеет большой потенциал для применений, требующих большого напряжения и легкого веса, таких как космические приложения и автомобили. Эти материалы способны делать больше с меньшим количеством материала, учитывая их пенистую структуру и обеспечивают подход к разработке материалов."
Работа финансировалась Национальным научным фондом.