Nitinol: un material mágico hecho de ciencia

Mª Pilar Prieto Núñez-Polo, Universidad de Castilla-La Mancha

En 1961, mientras investigaban aleaciones resistentes a la corrosión para embarcaciones, un equipo de científicos dirigido por William Beuhler, en el U.S. Naval Ordnance Laboratory (N. O. L.), descubrió que una aleación de titanio y níquel tenía la propiedad de recuperar su forma original. Además, no era corrosiva, tenía gran flexibilidad y presentaba biocompatibilidad con el cuerpo humano. A esta aleación se le denominó nitinol, combinación de las siglas de níquel, titanio y Naval Ordnance Laboratory.

Durante los años siguientes se observó este mismo efecto en otras aleaciones. El nitinol empezó a producirse en muchas formas distintas (láminas, alambres, cintas, discos,…) y aparecieron multitud de aplicaciones comerciales.

La memoria de forma se manifiesta cuando, después de una deformación plástica, el material recupera su forma tras un calentamiento suave. A baja temperatura, la aleación se encuentra en una fase deformable de manera plástica, como pasa en los alambres de muchos metales (como el cobre, el estaño o el hierro), pero al calentarse por encima de un determinado nivel, la aleación vuelve a su estructura básica rígida y no deformable.

Ejemplo de memoria de forma de un clip sujetapapeles. Al calentar recupera fu forma original

Esto se debe a la especial disposición de los átomos dentro de la red cristalina del metal. En su disposición más ordenada, el cristal es más simétrico y compacto, lo que confiere rigidez a la estructura. Esto se conoce con el nombre de fase austenita. Al enfriar el material, los átomos se desplazan muy ligeramente de sus posiciones, dando lugar a una estructura más desordenada y deformable. Esta es la denominada fase martensita. El hecho de que el paso de una a otra solo implique pequeños movimientos atómicos en la red cristalina, hace que los cambios de fase puedan ser muy rápidos. En el caso del nitinol, alambres muy delgados se contraen en una décima o centésima de segundo cuando llegan a la temperatura de activación, predefinida de fábrica; sin embargo, para relajarse de nuevo, necesitan enfriarse, lo cual depende de la temperatura ambiente, por lo que este proceso suele ser más lento.

Distintas fases del nitinol y cómo se modifican con la temperatura

Las aplicaciones más importantes de los materiales con memoria de forma como el nitinol están en el campo de la medicina, aprovechando su biocompatiblidad. Por ejemplo, se han usado alambres de nitinol para construir microbombas, que pueden reemplazar funciones del corazón o de los riñones; también se utiliza para la descongestión de arterias obstruidas mediante un estent o un baipás.

Como fucionan los estent para desbloquear arterias. La malla metálica es deformable en frío, permitiendo su fácil colocación en el interior de la arteria. Con el calor corporal, la malla se abre y convierte en rígida, empujando las paredes arteriales y aumentando el espacio para que circule la sangre

Además, se aplica en ortodoncia, dado que permite la colocación sencilla de endodoncias, que son deformables en frío, pero que se convierten en rígidas con el calor corporal. También se aplica en el tratamiento de fracturas, reduciendo el tiempo de recuperación y mejorando la fusión del hueso; por ello es habitual que los cirujanos traten ciertas fracturas enrollando cable alrededor del hueso para empujar las piezas sueltas y hacer que se unan.

Las aleaciones con memoria de forma se utilizan también en la industria aeroespacial para liberar satélites o para enviar antenas en forma compacta que, al llegar al espacio, recuperan su forma original extendida. En el mundo de los efectos especiales también se utiliza el nitinol en trucos de magia. Por ejemplo, este abrebotellas fabricado con nitinol, que puede recuperar su forma con el calor corporal.

Como el nitinol no se oxida con el agua del mar, se utiliza en todo tipo de aplicaciones submarinas. Por último, en el mundo de la robótica se utiliza el nitinol para desenrollar mecanismos con actuadores inteligentes (que son una excelente alternativa a los actuadores convencionales), con una fuerza de actuación muy alta, equivalente a la de los actuadores hidráulicos, proporcional a su peso y carentes de sistemas de lubricación y de mantenimiento constante.

Pero el factor que los hace más interesantes es su baja conductividad eléctrica, a pesar de ser una aleación metálica. Cuando hacemos circular a través de un conductor fabricado con nitinol una corriente, la resistencia que éste opone al paso de los electrones provoca un calentamiento de dicho conductor por el efecto Joule. Si ajustamos esta pequeña variación de temperatura para que coincida con la etapa de transición de la aleación, tenemos un conductor que se contrae o se estira en función de la intensidad de corriente que lo atraviesa. Además, como el volumen ha de ser constante, su diámetro también variará.

Basándose en este sencillo principio se ha desarrollado un alambre de nitinol, el flexinol, pensado para funcionar como actuador. Un alambre flexinol de solo 0,4 mm tiene una fuerza de contracción de casi 2 Kg, y su tiempo de respuesta puede variar entre un segundo y varios milisegundos. Esta fuerza la podemos aprovechar para múltiples usos; el más importante dentro de la robótica es la fabricación de ‘músculos de alambre’, músculos-actuadores de autómatas que permiten el movimiento de sus partes mecánicas. Un ejemplo es la mariposa animatrónica. En ella, el control de transformación del nitinol permite el control sobre sus alas.

Los llaman materiales inteligentes. ¡Craso error! Lo inteligente es siempre invertir en investigación. Quizá Beuhler y su equipo no encontraron ese material resistente a la corrosión que buscaban, pero se toparon a cambio con un descubrimiento mucho más interesante.

Bibliografía:

• Física y Química. J.L. Antón Bozal y D. M. Andrés Cabrerizo. Editex S.A. 2016 (ISBN 978-84-9078-755-7).
• cluster-divulgacioncientifica
• www.magosartesanos.com

Acerca de la autora

La Dra. María Pilar Prieto Núñez-Polo es profesora de la Universidad de Castilla-La Mancha en la Facultad de Ciencias y Tecnologías Químicas de Ciudad Real. En este enlace podéis encontrar un breve resumen de su CV, así como el de su grupo de investigación. Desde el blog «Moléculas a reacción» queremos agradecer su interesantísima aportación, que esperamos que no sea la última.

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El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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