Los científicos han desarrollado una nueva aleación compuesta de múltiples metales que casi no presenta expansión térmica en un rango de temperaturas extremadamente amplio. La mayoría de los metales se expanden a medida que aumenta la temperatura. Por ejemplo, la Torre Eiffel es entre 10 y 15 centímetros más alta en verano que en invierno debido a la expansión térmica. Sin embargo, este efecto es altamente indeseable para muchas aplicaciones técnicas.
Por ello, los investigadores llevan mucho tiempo buscando materiales que mantengan una longitud constante independientemente de la temperatura. Uno de esos materiales es el Invar (acero sin cambios), una aleación de hierro y níquel conocida por su tasa de expansión térmica extremadamente baja. Sin embargo, hasta hace poco, la explicación física de esta propiedad no estaba clara.
Ahora, investigadores teóricos de la Universidad Técnica de Viena (TUWien), en colaboración con experimentadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, han logrado un gran avance. Mediante sofisticadas simulaciones por ordenador, revelaron en detalle el efecto Invar y desarrollaron el llamado imán de pirocloro, una aleación con propiedades de expansión térmica incluso mejores que el Invar. En un rango de temperatura extremadamente amplio, de más de 400 Kelvin, su longitud cambia sólo aproximadamente una diezmilésima por Kelvin.
La expansión térmica y su opuesto.
"Cuanto mayor es la temperatura del material, mayor es la tendencia de los átomos a moverse, y cuanto mayor es el movimiento de los átomos, más espacio se necesita. La distancia media entre ellos aumenta", explica el Dr. Sergii Khmelevskyi del centro de investigación Vienna Science Cluster (VSC) de la Universidad Técnica de Viena. "Este efecto es la base de la dilatación térmica y no se puede evitar. Sin embargo, podemos crear materiales en los que este efecto se compense casi por completo con otro efecto compensador".
Segii Khmelevskyi y su equipo desarrollaron sofisticadas simulaciones por computadora que pueden usarse para analizar el comportamiento a nivel atómico de materiales magnéticos a temperaturas finitas. "Esto nos permite comprender mejor por qué Invar apenas se expande", afirma Khmelevskyi. "Este efecto se debe a que ciertos electrones cambian de estado a medida que aumenta la temperatura. El orden magnético en el material se reduce, lo que hace que el material se contraiga. Este efecto anula casi por completo la expansión térmica habitual".
Ya se sabe que el orden magnético de los materiales es el responsable del efecto Invar. Pero sólo a través de simulaciones por computadora en Viena fue posible comprender los detalles de este proceso con tanta precisión que se pueden hacer predicciones para otros materiales. "Esta es la primera vez que una teoría puede predecir concretamente el desarrollo de nuevos materiales en los que desaparece la expansión térmica", afirmó Sergey-Khmelevsky.
Imán de pirocloro con superficie plana Kagome
Para probar estas predicciones en la práctica, Sergii Khmelevskyi colaboró con el equipo experimental del profesor Xianran Xing y el profesor asociado Yili Cao en el Instituto de Química del Estado Sólido de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing. El resultado de esta colaboración ya está disponible: los llamados imanes de pirocloro.
A diferencia de las aleaciones anteriores de Invar, que estaban compuestas por sólo dos metales diferentes, los imanes de pirocloro tienen cuatro componentes: circonio, niobio, hierro y cobalto. "Se trata de un material con un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo en un amplio rango de temperaturas sin precedentes", afirmó YiliCao.
Este extraordinario comportamiento de la temperatura está relacionado con el hecho de que los imanes de pirocloro no tienen una estructura reticular perfecta, que no siempre se repite exactamente de la misma manera. La composición del material no es igual en todos los puntos, es heterogénea. Algunas áreas tienen un poco más de cobalto y otras tienen un poco menos de cobalto. Los dos subsistemas reaccionan de manera diferente a los cambios de temperatura. Esto permite equilibrar los detalles de la composición del material punto por punto, de modo que la expansión general de la temperatura sea casi exactamente cero.
Este material podría ser particularmente útil en aplicaciones donde las fluctuaciones de temperatura son extremas o las técnicas de medición son precisas, como en la aviación, el sector aeroespacial o los componentes electrónicos de alta precisión.
Compilado de /ScitechDaily