Le proprietà del nitinolo possono servire come introduzione ai materiali a memoria di forma.
Nell'esperimento si propone l'osservazione della transizione di fase del nitinolo da martensite ad austenite riscaldando una molla di nitinolo per passaggio di corrente; si osserva poi la transizione di fase inversa lasciando raffreddare la molla. Riprendendo il fenomeno con una telecamera si possono ricavare le relazioni tra la temperatura e diverse caratteristiche della molla, in particolare lunghezza e resistenza.
Il comportamento è controintuitivo perché la molla di nitinolo sottoposta a riscaldamento si contrae. 
La dipendenza della lunghezza della molla dalla temperatura mostra una curva di isteresi. E' possibile studiare anche come la curva vari al mutare del carico applicato.

Si inserisce una molla in serie a un generatore in corrente continua, appesa verticalmente con un pesetto attaccato che la mantiene allungata; si misurano a ogni istante la lunghezza della molla, la temperatura, la tensione e la corrente.
Si chiude il circuito; facendo passare la corrente la molla si scalda e, a seguito della transizione di fase, si contrae.
Si apre il circuito; la molla si raffredda lentamente e raggiunge la lunghezza di iniziale.
Rivedendo il filmato si costruisce una tabella temperatura/lunghezza/tensione/corrente/resistenza. Quest'ultima è calcolata a partire dalla legge di Ohm come $R=V/I$.
Si costruiscono i grafici temperatura/lunghezza e temperatura/resistenza.

Nessuna.

Il Nitinolo, lega approssimativamente equi-atomica di Ni e Ti,  è un materiale a memoria di forma, ha cioè la capacità di recuperare, a seguito di un opportuno trattamento in temperatura, una forma geometrica predefinita. Quando il recupero della forma avviene soltanto riscaldando il materiale si parla di memoria a senso unico, mentre, quando avviene anche raffreddando il materiale si parla di memoria a due sensi. I materiali a memoria di forma sono caratterizzati anche da proprietà superelastiche: entro un determinato range di temperature sopportano grandi deformazioni rispetto alla configurazione iniziale senza mostrare effetti permanenti, quali le deformazioni plastiche.

L'origine di tali proprietà è nelle caratteristiche strutturali microscopiche del materiale che presenta una transizione di fase da martensite (stabile a bassa temperatura, con domini microscopici facilmente mobili) ad austenite (stabile ad alta temperatura, con domini microscopici più rigidi). Si parte da un materiale di forma definita realizzato ad alta temperatura (nella fase austenitica) e lo si raffredda portandolo nella fase martensitica; poi lo si deforma meccanicamente determinando un movimento dei domini accompagnato localmente anche da transizioni di fase da martensite ad austenite; riscaldando il materiale, esso torna tutto nella fase austenitica, i domini ritornano nelle loro posizioni originarie con conseguente ripristino della forma iniziale (si vedano i due video "https://www.youtube.com/watch?v=twulzhUqlxU" e "https://www.youtube.com/watch?v=rnHjWvpInCI" per una visualizzazione dell'effetto, una semplice spiegazione e per le applicazioni).

In questo esperimento si studia il comportamento di una molla di nitinolo (come quella del secondo video) per evidenziarne il comportamento in funzione della temperatura e in particolare per mettere in evidenza che la enorme deformazione meccanica che la molla subisce in un preciso intervallo di temperatura (superelasticità) è collegata alla presenza di una transizione di fase, che abbassando la temperatura la molla riassume la sua forma (lunghezza) originaria e che nel processo completo di riscaldamento e raffreddamento è presente una isteresi.

Fissare il sensore di temperatura alla molla. Il modo più semplice è quello di utilizzare un breve tratto di guaina (circa 3 mm) che mantiene il sensore a contatto con la molla, come illustrato in figura 1.

Per inserire la molla in un circuito è possibile collegare le estremità a due boccole porta spinotti con l’uso di due piastrine forate, che facilitano sia la connessione elettrica sia la sistemazione della molla al supporto e l’attacco dei pesetti, come in figura 2.

Appendere verticalmente la molla a un supporto e attaccare un pesetto (ad esempio da $250\,g$) all’estremità inferiore per mantenere la molla allungata.

Collegare la molla in serie a un generatore in corrente continua, un amperometro e un interruttore; collegate infine un voltmetro in parallelo (a meno che non sia già contenuto nel generatore), come illustrato nello schema di figura 3.

Accendere il generatore in modo che passi una corrente costante (i valori consigliati vanno dai $2\,A$ ai $2.6\,A$) attraverso la molla. La molla inizierà a scaldarsi e conseguentemente a contrarsi. La contrazione completa avviene in pochi secondi e la temperatura finale può raggiungere i $100\, ^\circ C$.

Spegnere il generatore.

Le grandezze rilevanti sono temperatura $T$, lunghezza della molla $L$, tensione $V$, corrente $I$. In assenza di una acquisizione diretta via computer, il metodo più efficace per misurare tutte queste grandezze contemporaneamente è quello di utilizzare una ripresa video che riprenda i display di tutti gli strumenti e la lunghezza della molla, letta tramite un righello (figura 4).

Data la rapidità del fenomeno, è praticamente impossibile riuscire a misurare $L$ con un calibro o un righello, ma è interessante acquisirla tramite il software Tracker (disponibile gratuitamente) direttamente dal filmato. Se si ha tempo è decisamente interessante ripetere il ciclo variando il valore delle masse collegate alla molla.

Dal filmato si ricavano le tabelle con i dati; si possono costruire i grafici relativi all'andamento nel tempo di temperatura, lunghezza, corrente e differenza di potenziale con un foglio elettronico di calcolo. Alcuni grafici di esempio sono riportati in figura 5.

Confrontando i due grafici si può osservare che in una fase iniziale, quando la molla è ancora sostanzialmente ferma, la temperatura cresce rapidamente. Durante la contrazione la temperatura invece aumenta molto più lentamente, iniziando a crescere rapidamente una volta che la molla si è totalmente accorciata.

Questo comportamento richiama l’andamento isotermo (plateau di temperatura) tipico delle transizioni di fase note agli studenti (fusione, vaporizzazione...). In questo caso, tuttavia,  la transizione non è esattamente isoterma, ma è possibile individuare una temperatura in cui la transizione ha inizio e una in a cui ha fine.

Il passo successivo è correlare la variazione della lunghezza della molla con la temperatura, che di solito dà luogo a un tipico ciclo di isteresi se si rappresentano sia la fase di riscaldamento sia quella di raffreddamento, come mostrato in figura 6.

La resistività è una sonda fine della microstruttura dei materiali. 

La resistività permette infatti di evidenziare indirettamente mutamenti che intervengono a livello di reticolo cristallino. La resistenza è direttamente proporzionale alla resistività attraverso fattori geometrici (lunghezza, sezione del filo) che in prima approssimazione possiamo considerare costanti al variare della temperatura. La misura della dipendenza della resistenza dalla temperatura fornisce quindi informazioni dirette sulla variazione della resistività durante la transizione di fase.

La resistenza si misura in modo indiretto, monitorando tensione e corrente e utilizzando la legge di Ohm per calcolare $R=V/I$. In fase di riscaldamento, per una massa di $250\,g$, la corrente consigliata è di $2.4\,A$.

Se si vuole misurare la resistenza anche durante il raffreddamento, invece di spegnere il generatore si può abbassare la corrente a $0.5\,A$, in modo da non produrre un riscaldamento significativo; un esempio di misura di resistenza al variare della temperatura è riportato in figura 7.

Durante il riscaldamento si nota come la resistenza aumenti significativamente nell’intervallo di temperatura in cui avviene la transizione. Per temperature superiori invece la resistenza rimane pressoché costante. Questo andamento complessivo differisce drasticamente dall’usuale (piccola) proporzionalità diretta di $R$ da $T$ che si riscontra nei metalli. La netta variazione di resistenza durante la transizione($40\,^\circ C$ - $55\, ^\circ C$ circa) è associabile alla presenza in questa fase di un elevato disordine strutturale dovuto alla riorganizzazione dei domini. Questa interpretazione è supportata dal fatto che nell’intervallo di temperature al di sopra della transizione ($55\, ^\circ C$ - $70\, ^\circ C$ circa), pur essendo la variazione di temperatura analoga, la resistenza aumenta molto più lentamente (ricordiamo che il coefficiente termico della resistività nei metalli è dell’ordine di $10^{-3}/ ^\circ C$ e quindi comporta una variazione di pochi percento per un aumento di temperatura di una decina di gradi). Durante il riscaldamento, infine, è possibile che si evidenzi un picco non troppo marcato legato a una ulteriore fase intermedia tra martensite ed austenite (fase romboedrica).

    "Alla scoperta delle nanotecnologie" Bologna, Zanichelli, 2014.

Targa Elisa