SMA: Combinatie de aliaje cu memorie de forma si biocompozite pe baza de lemn

In ultimii ani, a existat un interes tot mai mare pentru materialele inteligente care au capacitatea de a-si modifica forma. Posibilitatea de a proiecta arhitecturi receptive la diversi stimuli, care se adapteaza la diferite conditii climatice este, fara indoiala, o idee atragatoare pentru beneficiarii din intreaga lume. Un domeniu in aplicabilitatea principiului respectiv este maxima este cel al structurilor de anvelopare a cladirilor. Cercetatorii depun, in prezent, eforturi sustinute pentru a identifica cele mai bune solutii si tipare, in vederea dezvoltarii unor strategii sustenabile in ceea ce priveste proiectarea si punerea in opera. De asemenea, in continuare sunt vitale observarea atenta a stadiului dezvoltarii diverselor proiecte propuse si realizarea unor analize de performanta, pentru a determina cu maxima acuratete comportamentul in timp al sistemelor propuse. La momentul actual, cele mai utilizate solutii receptive sunt materialele din categoria SMA (Shape Memory Alloys sau aliaje cu memorie de forma), la care se adauga bio-compozitele pe baza de lemn. 

 

Alte materiale care au capacitatea de a-si schimba forma si sunt potrivite pentru aplicatii din sfera anvelopantelor sunt, in ordinea popularitatii, termo-bimetalele, polimerii electroactivi, bimetalele compozite, polimerii cu memorie de forma si hidrogelurile. Cele mai uzuale aplicatii actuale se refera la sisteme inteligente de receptie (senzori), dispozitive de actionare in urma unor impulsuri de stimulare (actuatori), structuri receptoare, sisteme de amplificare geometrica, elemente folosite in combinatie cu materiale fara proprietati receptice etc. De asemenea, produsele din categoria respectiva au devenit uzuale in dezvoltarea unor strategii moderne de fabricatie, cum ar fi, de pilda, sisteme cu doua straturi sau procesarea aditiva (AM). Revenind la structurile de anvelopare, argumentul suprem al optiunii pentru sistemele receptive inteligente este acela al cresterii semnificative a performantei energetice, cu toate ca pana la momentul actual probe concrete in acest sens nu au fost furnizate de studiile realizate. In general, organismele vii constituie structuri de o mare complexitate, ce beneficiaza de mecanisme de feedback ce permit reactii rapide, de mare importanta pentru colectarea energiei, gestionarea resurselor disponibile si, la limita, pentru supravietuire. In cazul materialelor functionale avansate, pot fi identificate anumite aspecte similare sensibilitatii biologice, in special atunci cand este vorba despre asa-numitele „solutii inteligente”. Acestea din urma se caracterizeaza prin faptul ca au in structura lor senzori si actuatori intrinseci, ce le permit sa simta un stimul, sa raspunda la el intr-un mod controlat si sa revina la starea originala, dupa ce factorul perturbator a fost indepartat. Solutiile din categoria respectiva se afla deja de mult timp pe agendele de cercetare ale oamenilor de stiinta din intreaga lume, dar de relativ putina vreme au intrat si in atentia proiectantilor. In ultimul deceniu, materialele inteligente au devenit extrem de populare printre designeri, in special datorita capacitatii lor de a  adauga functionalitati suplimentare cladirilor, deschizand un cadru conceptual si practic pentru proiectarea sistemelor arhitecturale cu adevarat ecologice. De exemplu, cu ajutorul lor, cladirile s-ar putea adapta dinamic la conditiile meteorologice in schimbare, economisind energie si imbunatatind confortul din interior. In plus, materialele inteligente au un rol potential in eficientizarea energetica, intr-un mod mult mai simplu si direct decat cel in care o fac sistemele arhitecturale folosite in mod curent.

 

In ceea ce priveste materialele inteligente care isi schimba forma, acestea sunt deosebit de interesante datorita potentialului lor de a crea structuri receptive, care isi ajusteaza configuratia ca raspuns la un stimul definit, contribuind astfel la constructia asa-numitor sisteme arhitecturale receptive. Exista un numar mare de studii orientate spre proiectare, care utilizeaza materiale din categoria SME pentru dezvoltarea, in principal, a sistemelor arhitecturale ale anvelopantei. Beneficiind de progresele inregistrate in proiectarea asistata de calculator (CAD), in fabricarea digitala si in domeniul tehnologiilor de simulare, solutiile care interactioneaza energetic cu mediul constituie baza unei abordari revolutionare, ceea ce va duce in final la punerea in opera a unor anvelopante pentru a caror functionare nu vor mai fi necesare surse suplimentare de energie sau un control mecanic nemijlocit. Desigur, SME constituie doar o mica parte din gama diferitelor tipuri de materiale inteligente, insa pentru inceput este utila cercetarea aprofundata a acestei categorii speciale. In cazul dat, un stimul extern (apa, diferenta de temperatura, campul electric etc.) provoaca o schimbare fizica a produsului, provocand, astfel, deformarea sa. Printre produsele care schimba astfel forma se numara materialele electrostrictive si piezoelectrice, la care se manifesta o relatie patratica si liniara intre proprietatile electrice mecanice (deformare) si fortele aplicate, sau materialele inteligente hidrofile, la care se stabileste o relatie directa intre proprietatile chimice si cele mecanice.

 

Prin definitie, anvelopa unei constructii este sistemul prin intermediul caruia se controleaza schimbul de energie intre interiorul si exteriorul cladirilor si care are un impact mare asupra eficientei energetice a ansamblului. De aceea, nu este deloc surprinzator faptul ca fatadele fac obiectul celor mai frecvente eforturi de implementare a materialelor inteligente in structura lor. Cercetatorii au identificat mai multe cerinte ale cladirii legate de cinetica fatadelor care ar putea fi abordata cu ajutorul acestor solutii: controlul radiatiei solare, al caldurii transmise prin conductie, conversia energiei ambientale etc. Exista in prezent tot mai multe studii ce propun solutii ingenioase prin care materialele care schimba forma contribui la construirea unor anvelope receptive cu adevarat performante, toate referindu-se la strategii de inspiratie biologica, pentru conceptualizarea comportamentului optim al structurilor. 

Daca unii experti au propus utilizarea a trei materiale inteligente care schimba forma (aliaje de memorie de forma, polimeri cu memorie de forma, respectiv solutii hibride cu memorie de forma) care s-au dovedit a fi potrivite pentru solutionarea unor probleme legate de confort, dar care presupun o interventie umana in functionarea dispozitivelor rezultate, alti cercetatori au prezentat o analiza calitativa a materialelor promitatoare pentru sistemele receptive de anvelopare. Au fost puse in discutie mai multe materiale care schimba forma (care prezinta un asa-numit „comportament cinetic”), iar analiza a inclus tehnologii dezvoltate in alte domenii de activitate care nu au fost inca aplicate constructii.  Scopul principal a fost acela de a stabili oportunitati de utilizare a unor solutii pentru interfata care delimiteaza interiorul cladirii, protejandu-l de conditiile exterioare nefavorabile. Obiectivul s-a constituit din indentificarea celor mai bune solutii existente la momentul actual, trasarea unor strategii comune de proiectare si fabricatie si evaluarea impactului ecologic. O prima categorie de materiale care a fost analizata si care este relativ intens popularizata in ultima perioada a fost reprezentata a SMA (aliajele cu schimbare de forma), prezentate in forma lor cea mai populara – si anume cea elicoidala. Este binecunoscut faptul ca aceste solutii sunt printre cele mai utilizate la momentul actual, atunci cand se impun cerinte legate de schmbarea formei la stimuli exteriori. 

Simplitatea principiului de functionare, legat nemijlocit de eliberarea de energie cinetica prin actionarea unui arc, este conferita de capacitatea materialului de a stoca energia mecanica si de a o elibera in mod controlat (prin generarea unei forte de compresie sau tensiune). Acesta este cel mai puternic argument pe care respectivele materiale il au fata de alternativele existente pe piata. Cele mai multe studii demonstreaza ca utilizarea SMA-urilor sub forma de arcuri are un potential deosebit de dezvoltare in perioada urmatoare, cu atat mai mult cu cat se afla deja in cercetare procedura de fabricare aditiva a acestei solutii ingenioase, ceea ce ar putea duce la scaderea drastica a costurilor legate de achizitia materialului respectiv. 

 

Pe pozitia a doua in clasamentul celor mai analizate tipuri de materiale cu schimbare de forma este, in mod paradoxal, lemnul – un produs traditional. Desi cu greu poate fi inclus in categoria solutiilor „inteligente”, acesta are proprietati clare de modificare dimensionala in special la contactul cu umiditatea. Practic, in prezenta apei, lemnul capata anumite „umflaturi” anizotrope, a caror forma si marime depinde intr-o masura ridicata de directia fibrelor lemnoase. Structurile higroscopice construite sub forma de conuri de pin pot fi asamblate, avand proprietatea de a se deschide cand sunt uscate si a se inchide in conditii de umiditate sporita. Din punct de vedere mecanic, fenomenul se bazeaza pe structura bi-stratificata a fibrelor individuale, care au proprietatea de a-si schimb conformatia atunci cand exista se inregistreaza o variatie a umiditatii mediului. Astfel, prin controlul orientarii fibrilelor de lemn, este posibila proiectarea unor arhitecturi adaptabile. O explicatie a unui eventual succes comercial al respectivei solutii rezida, cel mai probabil, in costurile relativ mici de achizitie, astfel incat popularitatea sa ar putea fi o functie indirecta de pret. De asemenea, nu trebuie uitat nici faptul ca lemnul este cel mai utilizat material dintre cele biologice in scopuri structurale, ceea ce il face atractiv pentru proiectantii care isi propun sa exploateze raspunsul sau natural la umiditate. In fine, lemnul si alte materiale pe baza de celuloza (cum este, de exemplu, hartia) fac parte dintr-o categorie de produse bine cunoscute de arhitecti si designeri, fapt ce augmenteaza preferinta pentru o asemenea solutie.  

 

Alte materiale cunoscute pentru proprietatile lor de schimbare a formei si care au fost deja utilizate pentru dezvoltarea sistemelor de anvelopare a constructiilor sunt termo-bimetalele, polimerii electroactivi, compusii bimetali, polimerii cu memorie de forma si hidrogelurile, prezentate in ordinea descrescatoare a popularitatii sau a varstei. Termo-bimetalele, de exemplu, constituie o configuratie bistratificata in care sunt atasate doua straturi metalice, ce prezinta coeficienti diferiti de dilatare la temperatura. Din acest motiv, produsul are proprietatea de a se incovoia atunci cand este supus unui transfer semnificativ de caldura. In ultimii ani, cercetatorii au demonstrat potentialul termo-bimetalelor in ceea ce priveste construirea unor anvelopante arhitecturale receptive si, in acelasi timp, atragatoare din punct de vedere estetic. Urmatoarea categorie este cea a straturilor bilaterale compozite, constand in doua sau mai multe materiale diferite, care sunt utilizate intr-o configuratie bilaterala (de exemplu, otel Corten cu aparenta oxidata si polipropilena, ce formeaza impreuna materiale compozite active din punct de vedere termic sau straturi alternative de aluminiu esenta de fag). In ceea ce priveste polimerii electroactivi, acestia au capacitatea de a dezvolta sarcini considerabile atunci cand asupra lor se aplica un camp electric aplicat. La fel ca in cazul SMA-urile, polimerii cu memorie de forma isi pot „aminti” configuratia originala si au calitatea de a se intoarce la aceasta atunci cand sunt incalziti. In fine, hidrogelurile reprezinta polimeri hidrofili care pot contine cantitati mari de apa in structurile lor tridimensionale, in mod similar materialelor adsorbante active din scutece. Toate cele cinci categorii de materiale mentionate anterior sunt mult mai putin exploatate in prezent pentru aplicatii de anvelopare a cladirilor in raport cu aliajele cu memorie de forma sau biocompozitele pe baza de lemn. Probabil, exista mai multe motive care trezesc inca susceptibilitate si impiedica o utilizare mai extinsa a lor. In cazul polimerilor cu memorie de forma, un avantaj net ar fi acela al numeroaselor studii existente ce probeaza posibilitatea fabricarii aditive si a structurilor auto-asamblate. Acelasi lucru este valabil inclusiv in cazul hidrogelurilor, care si-au dovedit deja performantele in aplicatii complexe, cum ar fi structurile auto-asamblate in imprimarea 4D. O explicatie a lipsei de popularitatea ar putea fi data si de problemele de masurabilitate a efectelor utile, ce ar putea impiedica incorporarea celor doua materiale mentionate anterior in aplicatii de constructii pe scara larga. Cu toate acestea, odata cu inmultirea cercetarilor privind materialele inteligente este de asteptat aparitia tot mai multor aplicatii ale acestor materiale in viitorul apropiat, singura conditie fiind aceea a asigurarii unor beneficii legate de costuri si de scalabilitate a produselor.