Největší potenciál pro využití magnetické tvarové paměti je v medicíně

„Heuslerovy slitiny vykazující jev magnetické tvarové paměti a příbuzné jevy“. Tak se jmenoval projekt Grantové agentury České republiky, na kterém v letech 2011–2015 pracoval tým pod vedením doktora Olega Heczka z Fyzikálního ústavu Akademie věd. Dosažené výsledky projektu byly hodnoceny jako mimořádně úspěšné. Publikační výstup představuje 30 kvalitních, často hojně citovaných publikací, a to většinou v periodikách s vysokým impakt faktorem. Zahrnuje také 12 příspěvků do sborníků významných mezinárodních konferencí, na kterých byly v deseti případech prezentovány přímo přednáškou řešitele. Výsledkem projektu je i vznik odborného týmu, který je respektován mezinárodní komunitou materiálové vědy.

Hlavním přínosem projektu Heuslerovy slitiny vykazující jev magnetické tvarové paměti a příbuzné jevy je objev dvou typů hranic dvojčatění a jejich výrazně odlišného fyzikálního chování. Slovo objev je v tomto případě zcela namístě, protože se nejedná o pouhou klasifikaci dvou různých typů, ale o přímé pozorování zvláště hranic s extrémní pohyblivostí. „Toto zjištění je důležité především proto, že pohyb těchto hranic indukovaný magnetickým polem, je základem jevu magnetické tvarové paměti. Objev přináší posun v porozumění tohoto jevu a obecně elastickému chování fáze, která se označuje jako martenzit. Ukazuje se tak možnost připravit materiály s extrémně pohyblivými hranicemi dvojčatění, navíc jen slabě závislými na teplotě. To otevírá nové možnosti pro budoucí aplikace takových materiálů,“ říká Oleg Heczko.

Dalším významným výsledkem projektu jsou nové informace týkající se vývoje elastických vlastností, které podmiňují existenci bezdifúzní martenzitické transformace v různých materiálech. Ukázalo se, že běžně přijímaná podmínka anomálního měknutí elastických smykových modulů není podmínkou úplně nutnou. Je zřejmé, že výsledky řešení projektu jsou přínosné nejen pro obor technických věd, ale mají i významný přesah do fyziky, tedy do věd o neživé přírodě.

U optického mikroskopu s modelem Heuslerovy slitiny, Oleg Heczko a studentka gymnázia v Zďáru nad Sázavou navštěvující FZÚ v rámci programu Otevřená věda.

Náhodné setkání ve vlaku
„Moje cesta k tématu magnetické tvarové paměti začala vlastně náhodou, a to již za socialismu. Sestra tehdy náhodou ve vlaku potkala Fina, který ztratil dokument potřebný pro odjezd z České republiky. Než mu vystavili nový, bydlel tři týdny u nás doma. Právě v této době vznikla moje vazba na Finsko, kam jsem se následně dostal po roce 1992 po ukončení základního studia na MFF UK. Kromě toho, že jsem si tam našel manželku, tak po různých dalších peripetiích, doktorátu na MFF a postdoktorskémpobytu v Manchestru ve Spojeném Království, jsem se dostal ke Kari Ullakkovi, relativně mladému výzkumníkovi na Helsinské technické universitě. Ten v rámci svého pobytu na MIT v USA objevil jev magnetické tvarové paměti. Zjistil, že magnetické pole může způsobovat reorientace krystalové struktury. Nikdo předtím netušil, že je to možné. Je to nové paradigma deformace v magnetickém poli. Ve fyzice jde o nový obor, nebylo to jen vylepšení něčeho stávajícího,“ vysvětluje Oleg Heczko.

Co je magnetická tvarová paměť?
„Když se to snažím přiblížit laikovi, říkám, představte si, že máte nárazník z Heuslerovy slitiny. Ten zdeformujete tím, že se třeba nešťastně opřete o patník. On se celý zdeformuje, a jak ho pak opravíte? Přijedete do servisu, tam aplikují magnetické pole a nárazník se narovná do původního stavu a vy můžete jet pryč. Jako by si pamatoval ten původní tvar,“ doplňuje Oleg Heczko.

U elektronového mikroskopu v usilí identifikovat hranice dvojčatění.

Heuslerovy slitiny
Abychom byli úplní, je důležité ještě dovysvětlit, co jsou Heuslerovy slitiny, protože ty jsou s pojmem magnetické tvarové paměti významně spojeny. Jejich zajímavost spočívá především v tom, že ačkoliv dle původní definice neobsahují jedinou feromagnetickou látku, jako celek vykazují feromagnetické vlastnosti. Tato rozsáhlá skupina čítající asi 1500 látek se dále dělí na dvě podskupiny. V prvním případě hovoříme o úplných Heuslerových slitinách, ve druhém o polovičních Heuslerových slitinách. Ale jen některé z nich vykazují takzvanou martensitickou transformaci a dvojčatění, které jsou základní podmínkou pro jev magnetické tvarové paměti.

Jak je možné využít magnetickou tvarovou paměť v praxi?
Hlavní idea využití jevu magnetické tvarové paměti je v tom, že materiál nahradí stroj. „Představte si šicí stroj. Je tam jehla, která se pohybuje, jsou tam různé převodníky, spousta koleček a převodů, které se různě mění atd. Místo všech těchto převodů a součástek tam bude jeden kus toho našeho materiálu a jedna cívka a materiál se bude zkracovat a prodlužovat podle frekvence proudu, který se do cívky pustí, a tím pohybovat jehlou dle našeho přání,“ popisuje Oleg Heczko.

Soubor hranic dvojčatění typu II, vertikální linie. Optický mikroskop, Nomarského kontrast, velikost strany obrázku přibližně 0.2mm.

Největší potenciál je v medicíně. Magnetické pole dokáže působit přes překážku, například skrze kůži či organickou membránu apod. Abychom nemuseli do lidského dělat otvory, umisťovat dráty apod., stačí voperovat kus nějakého vhodného materiálu a zvenku jím manipulovat pomocí působení magnetického pole. První aplikace, která je tomu asi nejblíž, jsou nanopumpy, které obsahují permanentní magnet a umožňují „dopravovat“ určitou látku například do mozku.

Cesta (zdaleka) nekončí
Na začátku si tým pod vedením Olega Heczka definoval dva hlavní úkoly: 1) co nejlépe pochopit původ jevu magnetické tvarové paměti, b) najít materiály lepší než ty stávající tak, aby byly schopny fungovat ve vyšších teplotách. Například v automobilovém průmyslu je to aspoň 150 °C. „Díky pětiletému projektu podporovanému a financovanému Grantovou agenturou České republiky jsme v bádání magnetické tvarové paměti postoupili zase o kus dál. Stále je ale hodně věcí neprobádaných, otázky spíše přibývají a cesta zdaleka nekončí,“ uzavírá Oleg Heczko.

Zjemňování dvojčatění před fázovým rozhraním austenit-martensit. Zdvojčatělá mikrostruktura v martensitu je tvořena směsí typů hranic dvojčatění. Optický mikroskop, Nomarského kontrast, velikost strany obrázku přibližně 1 mm.

 

Foto: Archiv Olega Heczka