المستقبل الآن - سبائك ذاكرة الشكل - سبائك ذاكرة الشكل

مقدمة في سبائك ذاكرة الشكل

على الرغم من أن الأمر يبدو وكأنه خيال علمي، إلا أن المعادن التي يمكنها تغيير شكلها و"تذكر" أشكالها السابقة تُستخدم اليوم في صناعات السيارات والفضاء والطب الحيوي والروبوتات.

ونظرًا لتنوع استخداماتها، فإن هذه المعادن تحمل العديد من الأسماء، بما في ذلك سبائك ذاكرة الشكل (SMA) والمعدن الذكي والأسلاك العضلية والسبائك الذكية. وببساطة، فإن SMAs هي عبارة عن خلائط معدنية مصممة خصيصًا من المعادن التي يمكنها إعادة تشكيل نفسها مرة أخرى إلى أشكالها الأصلية بعد تشوهها. وتتمثل الحيلة هنا في تسخين SMA المشوّه إلى "درجة حرارة الانتقال"، مما ينشط خاصية ذاكرة SMAs بحيث تعود إلى شكلها السابق. وبالطبع، لا تتذكر السبيكة في الواقع شكلها الأصلي كما يتذكر الشخص ما تناوله على الإفطار. وبدلاً من ذلك، عندما يتم تصنيع SMA، تتم معالجة المعادن بطريقة تحدد "الشكل الأصلي".

ويصف جورج كوفمان وإيزاك مايو في بحثهما "معدن الذاكرة" الصادر عام 1993 عملية تصنيع أحد أكثر المعادن SMAs تنوعاً وشيوعاً، وهو مزيج من النيكل والتيتانيوم يسمى النيتينول. "يجب تثبيت المعدن في موضعه وتسخينه إلى حوالي 500 درجة مئوية، حيث تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى ترتيب الذرات نفسها في أكثر الأنماط الممكنة انضغاطًا وانتظامًا، مما يؤدي إلى ترتيب مكعب صلب يعرف باسم طور الأوستينيت." بعد إنشاء هذه المرحلة - وهي عملية تسمى أيضًا التدريب - تصبح جاهزة للاستخدام.

[1]

يمكن تقسيم SMAs إلى نوعين؛ إما أن يكون لها ذاكرة أحادية الاتجاه أو ذاكرة ثنائية الاتجاه. تشير الذاكرة أحادية الاتجاه إلى أن المعدن يمكن تشكيله وإعادة تشكيله ليحتفظ بأوضاع مختلفة، ولكن بمجرد تعريضه لدرجة حرارة الانتقال، يعود إلى شكله الأصلي. أما تأثير الذاكرة ثنائية الاتجاه فيظهر في الذاكرات ثنائية الاتجاه التي تدرب المعدن على تذكر شكل واحد عند درجة حرارة منخفضة وشكل مختلف عند درجة حرارة عالية.

وتتنوع طريقة استخدامها حسب الصناعة؛ فقد تم تضمين SMAs في تصاميم الطيران لمحركات أكثر هدوءًا، وفي اقتران ذاكرة الشكل لأنابيب أنابيب النفط والمياه، ومقاعد السيارات، و"عضلات" الروبوتات وغيرها. وقد حققت التطبيقات الطبية لـ SMAs نجاحًا كبيرًا. حيث تُستخدم دعامات SMA في عمليات رأب الشرايين الطرفية لإبقاء الشرايين مفتوحة، كما تسمح SMA بإطارات النظارات المرنة وأقواس الأسنان التي تمارس قوة ثابتة على أسنان مرتديها.

إذا لم تكن قد شاهدت سبائك ذاكرة الشكل في العمل حتى الآن، فربما ستشاهدها. يتم تصور استخدامات جديدة لها كل يوم. من الهواتف الذكية إلى الروبوتات إلى المحركات، تُعدّ سبائك الذاكرة ذات الشكل مادة مستقبلية يتم استخدامها الآن.

[1]

أمثلة على سبائك ذاكرة الشكل

هناك عدة أنواع من سبائك ذاكرة الشكل، ولكن الأكثر استخدامًا هي تلك التي تعتمد على المعادن التالية:

1. النيكل-التيتانيوم (NiTi): غالبًا ما يشار إليها باسم "النيتينول"، وهي أكثر سبائك SMA شهرة واستخدامًا. وهي عبارة عن سبيكة مصنوعة من النيكل والتيتانيوم وتشتهر بشكل خاص بخصائصها الممتازة في ذاكرة الشكل والتوافق الحيوي، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الطبية مثل الدعامات والأسلاك التوجيهية وأقواس الأسنان.

2. السبائك القائمة على النحاس: سبائك النحاس والألومنيوم والنيكل والنحاس والزنك والألومنيوم هي أنواع أخرى من سبائك النحاس والنيكل والنحاس والزنك والألومنيوم. وعلى الرغم من عدم استخدامها على نطاق واسع مثل النيتينول، إلا أنها لا تزال تستخدم في مجالات مثل المشغلات والروبوتات ومكونات السيارات. وعادةً ما تكون السبائك القائمة على النحاس أقل تكلفة ولكنها تُظهر أيضًا خواص ميكانيكية مختلفة مقارنةً بسبائك النيكل والتيتانيوم.

3. السبائك القائمة على الحديد: وهي أحدث نسبياً مقارنةً بالأنواع الأخرى من السبائك ذات الأساس الحديدي وتستخدم لتطبيقات محددة في مجال الطيران والصناعات الأخرى التي تتطلب قوة أعلى. وغالباً ما يتم تطويرها للمشاريع الهندسية المتخصصة.

استخدامات سبائك ذاكرة الشكل

وجدت سبائك الذاكرة الشكلية تطبيقات في العديد من الصناعات بسبب خصائصها الفريدة، بدءاً من الأجهزة الطبية إلى تقنيات الطيران. تتضمن بعض الاستخدامات الرئيسية لسبائك ذاكرة الشكل ما يلي:

1. التطبيقات الطبية: تُستخدم سبائك SMAs على نطاق واسع في المجال الطبي، لا سيما في الأجهزة التي تتطلب الحد الأدنى من التدخل الجراحي أو تحتاج إلى العمل في ظل ظروف معينة. ومن الأمثلة المعروفة استخدام النيتينول في الدعامات، وهي أنابيب شبكية صغيرة يتم إدخالها في الأوعية الدموية المسدودة. وبمجرد إدخالها، يتم توسيع الدعامة بواسطة درجة حرارة الجسم، وتعود إلى شكلها الأصلي لفتح الوعاء الدموي. تُستخدم SMAs أيضًا في الأسلاك الإرشادية للعمليات الجراحية طفيفة التوغل، وأجهزة تقويم الأسنان مثل تقويم الأسنان والدبابيس الجراحية.

2. المشغلات: تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل في المشغلات التي تحول الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي. في مختلف التطبيقات الصناعية، يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل في المضخات والصمامات وغيرها من الأجهزة التي تتطلب حركة محكومة. وتوفر السبائك آلية بسيطة وموثوقة للحركة، مدفوعة بتغيرات درجة الحرارة، وغالباً ما تُستخدم في الأنظمة الأوتوماتيكية أو ذاتية التنظيم.

3. الفضاء والروبوتات: تُستخدم سبائك SMAs في تطبيقات الفضاء الجوي للمشغلات وللتحكم في الأسطح الديناميكية الهوائية، مثل اللوحات والدفات في الطائرات، حيث يمكنها الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة أثناء الطيران. في مجال الروبوتات، يمكن استخدام SMAs لمحاكاة حركة العضلات، مما يجعلها ذات قيمة للروبوتات اللينة التي تتطلب مواد مرنة وقابلة للتكيف.

4. الإلكترونيات الاستهلاكية: يتزايد استخدام SMAs في الإلكترونيات الاستهلاكية، لا سيما في الأجهزة التي تتطلب حجمًا صغيرًا ومرونة. وتشمل الأمثلة على ذلك الكاميرات ذات العدسات ذاتية الضبط، والنظارات الأوتوماتيكية، وبعض آليات التشغيل في التكنولوجيا القابلة للارتداء.

5. صناعة السيارات: في صناعة السيارات، تُستخدم سبائك SMAs في الأنظمة الذكية مثل المقاعد التي يتم التحكم في درجة حرارتها والمرايا الأوتوماتيكية وكجزء من أنظمة التشغيل في السيارات. تساعد هذه السبائك في إنشاء آليات أكثر كفاءة وصغر الحجم مقارنةً بالمواد التقليدية.

6. المواد والأنظمة الذكية: يمكن أيضًا دمج المواد والأنظمة الذكية SMAs في المواد والأنظمة الذكية، والتي تُستخدم للتطبيقات التي تتطلب الاستجابة للمؤثرات البيئية. ويمكن استخدام هذه المواد في المباني أو البنية التحتية حيث تغير المواد شكلها استجابةً لتقلبات درجات الحرارة، مما يوفر ميزات ذاتية الشفاء أو التكيف.

الخلاصة

تمثل سبائك ذاكرة الشكل طفرة كبيرة في علم المواد بفضل قدرتها على العودة إلى شكل محدد مسبقًا تحت تأثير درجة الحرارة. من الدعامات الطبية والمشغلات إلى تطبيقات الطيران، أثبتت سبائك الذاكرة المتغيرة الشكل أنها مواد لا تقدر بثمن مع إمكانات هائلة للابتكارات المستقبلية. ومع استمرار الأبحاث في مواد SMAs، من المرجح أن نشهد استخدامات أكثر تقدماً لهذه المواد في السنوات القادمة، مما يعزز قيمتها في التطبيقات الصناعية واليومية على حد سواء. لمزيد من التفاصيل، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] ناسا ( 2025، 20 فبراير). مواد ذاكرة الشكل من ناسا تفتح الأبواب أمام التكنولوجيا الذكية. برنامج ناسا لنقل التكنولوجيا. تم الاسترجاع 20 فبراير 2025، من https:// technology.nasa.gov/