Panoramica del Nitinol

La lega nichel-titanio, nota anche come nitinol, è una lega binaria composta da nichel e titanio. I due elementi sono approssimativamente uguali in percentuale atomica (Nitinol 55 e Nitinol 60 sono comuni).

Fase austenitica e fase martensitica

A causa delle variazioni di temperatura e di pressione meccanica, il nitinolo presenta due diverse fasi della struttura cristallina, ovvero la fase austenitica e la fase martensitica.

Nel nitinolo, l'austenite è chiamata fase madre, ovvero la fase cristallina che la lega presenta ad alta temperatura. Quando la temperatura diminuisce, l'austenite si converte gradualmente in martensite (sottofase).

Nel processo di trasformazione di martensite e austenite, esistono quattro tipi di temperature:

* As: la temperatura alla quale la martensite inizia a convertirsi in austenite durante il processo di aumento della temperatura.

* Af: la temperatura alla quale la martensite termina la conversione in austenite durante il processo di aumento della temperatura.

* Ms: la temperatura alla quale l'austenite inizia a convertirsi in martensite durante il processo di abbassamento della temperatura.

* Mf: la temperatura alla quale l'austenite termina la conversione in martensite durante il processo di abbassamento della temperatura.

La trasformazione di fase del nitinolo presenta un'isteresi termica, quindi As non è uguale a Mf, per lo stesso motivo Af non è uguale a Ms.

Due caratteristiche del nitinolo

1. Memoria di forma

La memoria di forma si verifica quando la fase madre di una certa forma viene raffreddata da una temperatura superiore a Af a una temperatura inferiore a Mf e forma completamente la martensite, deformando la martensite al di sotto della temperatura Mf. Dopo essere stato riscaldato al di sotto della temperatura Af, con una trasformazione di fase inversa, il materiale ripristina automaticamente la sua forma in fase madre. In realtà, l'effetto memoria di forma è un processo di transizione di fase indotto termicamente del nitinolo. Si riferisce alla capacità del nitinolo di deformarsi a una certa temperatura e di ripristinare la forma originale non deformata quando la temperatura è superiore alla sua "temperatura di transizione".

2. Superelasticità

La cosiddetta superelasticità si riferisce al fenomeno per cui il campione produce una deformazione molto superiore alla deformazione limite elastica sotto l'effetto di forze esterne e la deformazione può ripristinarsi automaticamente durante lo scarico. Nella fase madre, per effetto delle sollecitazioni esterne, la deformazione innesca la transizione di fase martensitica, per cui la lega presenta comportamenti meccanici diversi da quelli dei materiali ordinari. Il suo limite elastico è molto più grande di quello dei materiali ordinari. E non segue più la legge di Hooke. Rispetto all'effetto memoria di forma, la superelasticità non comporta l'utilizzo di calore.

Applicazioni del nitinol

1. Montature per occhiali

Sebbene molte applicazioni del nitinolo siano invisibili al grande pubblico, alcune sono piuttosto familiari. Le montature degli occhiali in nitinolo possono essere piegate in modo grave, ma poi ritornano perfettamente alla normalità. Inoltre, alcuni anni fa, quando i telefoni cellulari avevano antenne estraibili, molte antenne erano realizzate in nitinolo, che permetteva loro di flettersi senza rompersi o piegarsi in modo permanente.

2. Ortodonzia

Un'altra applicazione superelastica, in cui voi o i vostri figli potreste aver sperimentato il nitinolo, è quella dei fili per archi utilizzati dagli ortodontisti. L'ortodontista prende un filo di nitinolo e lo piega, fissandolo ai denti. Poiché il filo è superelastico, cerca di tornare alla sua condizione diritta ed esercita continuamente una forza sui denti. In questo modo le visite dall'ortodontista per il serraggio dell'apparecchio sono meno frequenti.

3. Dispositivi medici

Gli strumenti e i componenti chirurgici realizzati in nitinolo soddisfano molte esigenze, soprattutto nella chirurgia mini-invasiva o artroscopica. Questi possono sfruttare la superelasticità e la resistenza alla fatica del nitinolo. Uno strumento piegato può essere raddrizzato e introdotto attraverso una cannula, un tubo rigido. Quando esce dalla cannula, l'utensile torna alla sua forma originale. Il chirurgo esegue l'intervento e poi lo strumento viene ritratto nella cannula, dove si raddrizza di nuovo per essere facilmente rimosso.

La qualità superelastica del nitinolo, insieme alla sua biocompatibilità, lo rende ideale per la realizzazione di molti tipi di dispositivi medici che vengono impiantati nel corpo. Un'applicazione familiare a molti di noi è lo stent, un dispositivo che sostiene i vasi sanguigni e li mantiene aperti. La superelasticità del nitinolo consente a un dispositivo medico, come uno stent o una valvola cardiaca, di essere compresso in una forma che si adatta a un catetere. Il catetere viene posizionato nel punto corretto del corpo, il dispositivo viene rilasciato e ritorna alla sua forma originale.

Questa stessa superelasticità rende il nitinolo l'unico materiale adatto agli stent utilizzati nell'arteria carotidea del collo o nei vasi sanguigni delle gambe. In questi punti vulnerabili, un colpo nell'area dello stent ne provoca la deviazione, ma uno stent in nitinolo ritorna alla forma prevista. Gli stent realizzati con altri materiali sarebbero soggetti a schiacciamento o a piegamento permanente a causa di un tale impatto.

4. Altre applicazioni

Alcune applicazioni meno conosciute sfruttano la capacità di memoria di forma del nitinolo. Un noto produttore di computer ha utilizzato un dispositivo in nitinolo per espellere le schede PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Inoltre, il nitinolo viene utilizzato negli accoppiamenti che uniscono le estremità dei tubi idraulici degli aerei. In un'applicazione meno seria, il nitinolo permette ai cucchiai del negozio di magia di piegarsi quando vengono messi in acqua calda.