Gran avance en la investigación de materiales: el metal que no se dilata
Se ha desarrollado una aleación de varios metales que prácticamente no presenta dilatación térmica en un intervalo de temperatura extremadamente amplio
La mayoría de los metales se dilatan cuando aumenta su temperatura. La Torre Eiffel, por ejemplo, es entre 10 y 15 centímetros más alta en verano que en invierno debido a su dilatación térmica. Sin embargo, este efecto es extremadamente indeseable para muchas aplicaciones técnicas. Por eso se buscan desde hace tiempo materiales que tengan siempre la misma longitud independientemente de la temperatura. El invar, por ejemplo, una aleación de hierro y níquel, es conocido por su dilatación térmica extremadamente baja. Sin embargo, hasta ahora no estaba del todo claro cómo explicar físicamente esta propiedad.
Ahora, una colaboración entre investigadores teóricos de TU Wien (Viena) y experimentadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín ha dado lugar a un avance decisivo: gracias a complejas simulaciones por ordenador, ha sido posible comprender en detalle el efecto invar y desarrollar así el llamado imán pirocloro, una aleación que tiene unas propiedades de dilatación térmica aún mejores que el invar. En un rango de temperaturas extremadamente amplio, de más de 400 Kelvin, su longitud sólo varía en torno a una diezmilésima de uno por ciento por Kelvin.
La dilatación térmica y su antagonista
"Cuanto mayor es la temperatura de un material, más tienden a moverse los átomos, y cuando los átomos se mueven más, necesitan más espacio. La distancia media entre ellos aumenta", explica el Dr. Sergii Khmelevskyi, del Centro de Investigación Vienna Scientific Cluster (VSC) de la Universidad Técnica de Viena. "Este efecto es la base de la dilatación térmica y no puede evitarse. Pero es posible producir materiales en los que se equilibre casi exactamente con otro efecto compensador".
Segii Khmelevskyi y su equipo desarrollaron complejas simulaciones por ordenador que permiten analizar el comportamiento de los materiales magnéticos a temperatura finita a nivel atómico. "Esto nos permitió comprender mejor la razón por la que el invar apenas se expande", afirma Khmelevskyi. "El efecto se debe a que ciertos electrones cambian de estado al aumentar la temperatura. El orden magnético del material disminuye, lo que provoca su contracción. Este efecto anula casi exactamente la expansión térmica habitual".
Ya se sabía que el orden magnético en el material es el responsable del efecto invar. Pero sólo con las simulaciones por ordenador de Viena fue posible comprender los detalles de este proceso con tanta precisión que se pudieron hacer predicciones para otros materiales. "Por primera vez se dispone de una teoría que permite hacer predicciones concretas para el desarrollo de nuevos materiales con expansión térmica evanescente", afirma Sergii Khmelevskyi.
El imán de pirocloro con planos Kagome
Para poner a prueba estas predicciones en la práctica, Sergii Khmelevskyi colaboró con el equipo experimental del Prof. Xianran Xing y el Ass. Yili Cao, del Instituto de Química del Estado Sólido de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín. Ahora se presenta el resultado de esta cooperación: El llamado imán pirocloro.
A diferencia de las aleaciones invar anteriores, que sólo constan de dos metales diferentes, el imán pirocloro tiene cuatro componentes: Circonio, niobio, hierro y cobalto. "Se trata de un material con un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo en un rango de temperaturas sin precedentes", explica Yili Cao.
Este notable comportamiento térmico tiene que ver con el hecho de que el imán pirocloro no tiene una estructura reticular perfecta que se repita siempre exactamente igual. La composición del material no es la misma en todos los puntos, es heterogénea. Algunas zonas contienen un poco más de cobalto, otras un poco menos. Ambos subsistemas reaccionan de forma diferente a los cambios de temperatura. Esto permite equilibrar los detalles de la composición del material punto por punto, de tal forma que la dilatación térmica global es casi exactamente cero.
El material podría ser de especial interés en aplicaciones con fluctuaciones extremas de temperatura o técnicas de medición precisas, como en la aviación, la industria aeroespacial o los componentes electrónicos de alta precisión.
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Publicación original
Sergii Khmelevskyi, Soner Steiner; "Predictive Theory of Anomalous Volume Magnetostriction in Fe–Ni Alloys: Bond Repopulation Mechanism of the Invar Effect"; The Journal of Physical Chemistry C, Volume 128, 2023-12-28
Y. Sun et al., Local chemical heterogeneity enabled superior zero thermal expansion in nonstoichiometric pyrochlore magnets, National Science Review, nwae46
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