Perspectivas de Aplicação de Alta Tecnologia de Ligas com Memória

　　O século XX foi a era da mecatrônica. Sensores—circuitos integrados—atuadores são o sistema de controle eletromecânico mais típico, mas complexo e volumoso. Materiais com memória de forma possuem funções duplas de sensor e atuador, podendo realizar a miniaturização e inteligência dos sistemas de controle, como robôs holográficos e manipuladores ultraminiatura de nível milimétrico. O século XXI será a era da eletrônica de materiais. Os movimentos dos robôs feitos de ligas com memória de forma não são afetados por nenhuma condição ambiental além da temperatura, podendo se destacar em áreas de alta tecnologia como reatores, aceleradores e laboratórios espaciais.

　　Falando de ligas com memória, é claro que devemos falar da liga mais interessante — a liga com memória. O metal com memória foi uma descoberta acidental: no início dos anos 60, um grupo de pesquisa da Marinha dos EUA retirou do depósito alguns fios de liga de níquel-titânio para experimentos. Eles perceberam que esses fios estavam tortos e eram inconvenientes para uso, então esticaram cada fio. Durante os testes, um fenômeno estranho ocorreu: ao aquecer até certa temperatura, esses fios esticados de níquel-titânio repentinamente voltavam à sua forma original curva. Observadores atentos repetiram os testes várias vezes e confirmaram que esses fios realmente possuíam "memória".

　　Essa descoberta do Instituto de Pesquisa da Marinha dos EUA despertou grande interesse na comunidade científica, e muitos cientistas realizaram estudos aprofundados. Descobriu-se que ligas de cobre-zinco, cobre-alumínio-níquel, cobre-molibdênio-níquel, cobre-ouro-zinco, entre outras, também possuem essa habilidade peculiar. Dentro de certos limites, as pessoas podem alterar a forma dessas ligas conforme necessário, e ao atingir uma temperatura específica, elas automaticamente retornam à sua forma original. Esse "alterar—retornar" pode ser repetido várias vezes; não importa como sejam deformadas, elas sempre lembram sua forma original e a reproduzem exatamente ao atingir essa temperatura. Esse fenômeno é chamado de efeito de memória de forma, e os metais que possuem esse efeito são chamados de ligas com memória de forma, ou simplesmente ligas com memória.

　　Por que essas ligas possuem esse efeito de memória de forma? Como elas lembram sua forma original? É difícil explicar esse efeito de memória das ligas usando teorias comuns de ligação metálica ou de elétrons livres. As ligas com memória de forma podem retornar à forma original sob certas condições de temperatura, fornecendo um excelente exemplo do movimento dos elétrons externos — que varia com a temperatura. Isso ocorre porque a formação da liga acontece na fusão mútua de metais líquidos em alta temperatura. Devido à exclusão dos elementos estruturais dos metais líquidos, esses elementos estruturais se distribuem uniformemente entre os elementos estruturais de outro metal. Após a solidificação, sua estrutura microscópica é uma disposição ordenada proporcional de diferentes tipos de elementos estruturais, e a força eletromagnética é a principal força coesiva que forma o corpo da liga.

　　A força eletromagnética é formada pela operação dos elétrons de valência, cuja velocidade de movimento varia conforme a temperatura. Portanto, a força eletromagnética dentro do objeto (intensidade, direção, ponto de ação) também varia com a temperatura. Isso leva a variações nas forças internas do metal conforme a temperatura, embora essas mudanças não sejam evidentes em pequenas variações de temperatura, manifestando-se apenas em grandes variações (centenas de graus Celsius). Metais comuns, após serem submetidos a força, podem sofrer deformação plástica. Por exemplo, um fio de ferro dobrado sofre interferência na força eletromagnética na área dobrada, levando a um ajuste mínimo no plano de movimento dos elétrons de valência, completando assim uma deformação plástica.

　　As ligas com memória de forma são uma mistura uniforme de diferentes tipos de elementos estruturais. Embora os tamanhos dos elementos e a intensidade da força eletromagnética variem, cada um acelera seu próprio movimento de elétrons de valência e, sob certas condições de temperatura, ficam em harmonia com os vizinhos. Quando submetidas a força externa, a força eletromagnética é perturbada, e o plano de movimento dos elétrons de valência ajusta seu ângulo minimamente, causando deformação plástica. Nessa deformação, parte do movimento dos elétrons de valência ajustados não está relaxado. Quando a temperatura muda, a velocidade dos elétrons de valência também muda. Ao retornar à temperatura de transição, onde o movimento está relaxado, os elétrons de valência não relaxados retornam imediatamente à velocidade original, a força eletromagnética muda, e os elementos estruturais vizinhos ajustam seu movimento de elétrons de valência, retornando ao estado relaxado original. Assim, todo o objeto retorna ao seu estado original. Esse é o processo de memória das ligas com memória de forma.

　　Na verdade, a memória dos metais já havia sido descoberta: ao dobrar um fio de ferro reto em um ângulo reto (90°), ao soltá-lo, ele retorna um pouco, formando um ângulo maior que 90°. Para endireitar um fio já dobrado, é necessário dobrá-lo além de 180° antes de soltá-lo, assim ele retorna exatamente à linha reta — isso é o que o provérbio chinês chama de "corrigir um erro com um exagero". Outra liga com memória ainda melhor é a mola (aqui referindo-se à mola de aço, que é uma liga ferro-carbono). A mola lembra firmemente sua forma; ao remover a força externa, ela imediatamente retorna à sua forma original. Porém, a temperatura de memória da mola é ampla, diferente das ligas com memória que possuem uma temperatura de transição específica, conferindo-lhes algumas funções especiais.

　　Aproveitando a função de deformação das ligas com memória em temperaturas específicas, podem ser fabricados diversos dispositivos de controle térmico, como circuitos de controle de temperatura, válvulas termostáticas e conexões de tubulação com controle térmico. Já foram fabricados torneiras automáticas para combate a incêndio — quando a temperatura sobe devido ao fogo, a liga com memória se deforma, abrindo a válvula e liberando água para apagar o fogo. Também foram feitas conexões para peças mecânicas e tubulações; a interface de reabastecimento aéreo de aviões utiliza ligas com memória — após conectar as mangueiras de óleo, o aquecimento elétrico altera a temperatura, deformando a liga na interface para garantir uma conexão apertada e sem vazamentos. Foi fabricada uma antena autoexpansível para a estação espacial com centenas de metros quadrados — inicialmente fabricada no solo em forma parabólica ou plana, dobrada em um volume compacto, levada ao espaço pela nave, e ao mudar a temperatura, expande-se para sua forma e área originais.

　　Atualmente, já foram desenvolvidas dezenas de ligas com memória, com aplicações em aviação, militar, industrial, agrícola, médica, entre outras áreas, e a tendência de desenvolvimento é muito promissora, trazendo grandes benefícios para a humanidade. Até agora, foram descobertos e estudados mais de uma dúzia de sistemas de ligas com memória, incluindo Au-Cd, Ag-Cd, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, In-Ti, Au-Cu-Zn, NiAl, Fe-Pt, Ti-Ni, Ti-Ni-Pd, Ti-Nb, U-Nb e Fe-Mn-Si.