Förmågan hos formminneslegeringar, används som material för medicinska stentar, att återgå till sin ursprungliga form efter att en temperaturökning har undertryckts vid nanometerkornstorlekar på grund av effekter relaterade till den större andelen korngränser, enligt en matematisk modell utvecklad av A*STAR-forskare. Denna upptäckt hjälper till att förklara formminnesförlust i och öka vår förståelse av nanokristallina formminnesmaterial, vilket kommer att leda till förbättringar i utformningen av sådana enheter.

"Formminneslegeringar används ofta som material för medicinska stentar på grund av deras intressanta formminne och mekaniska egenskaper, och även i andra biomedicinska och tekniska tillämpningar, säger ledande forskare, Rajeev Ahluwalia, från A*STAR Institute of High Performance Computing.

Formminne hänvisar till ett materials förmåga att återgå till sin ursprungliga form, vanligtvis genom uppvärmning, efter relativt stora grader av deformation. Denna formåtervinning sker på grund av att atomer i materialets kristallina struktur ändrar sina relativa arrangemang när det sker en minskning av temperaturen, och återgå till sina ursprungliga platser vid återuppvärmning. Denna typ av "martensitisk" transformation kan vara extremt användbar i olika applikationer, men experimentellt har det visat sig att denna omvandling undertrycks när de ingående kristallkornen närmar sig dimensioner i nanoskala. Detta minskar potentiellt användbarheten av formminneslegeringar i liten skala.

Ahluwalia och hans team utvecklade en matematisk modell för martensitisk transformation som framgångsrikt reproducerar experimentellt observerad undertryckning av transformationen i dessa material (se bild).

"Vår modell visar att detta undertryckande av martensitisk transformation kan tillskrivas korngränseffekter, " förklarar Ahluwalia. "Korngränser kan innebära en energistraff under transformation, undertrycka omvandlingen lokalt vid korngränserna, och leder till fullständigt undertryckande av omvandling i små korn under en kritisk kornstorlek."

Samtidigt som det visar att den temperaturinducerade omvandlingen undertrycks i nanokornregimen, teamets resultat förklarade också minskningen av "mekanisk hysteres" - skillnaden i hur ett material deformeras under en given kraft beroende på om det laddas eller lossas - när kornstorleken minskar. Detta innebär minskad energiförlust och minskad mekanisk utmattning – önskvärda egenskaper som kan erhållas genom att minska kornstorleken.

"Att förstå orsaken bakom dessa intressanta beteenden vid små kornstorlekar ger oss ett sätt att designa materialmikrostrukturer för att ha önskvärda egenskaper, säger Ahluwalia.