Avanço na pesquisa de materiais: foi desenvolvida uma liga de vários metais que mostra praticamente nenhuma expansão térmica em um intervalo de temperatura extremamente grande.
A maioria dos metais se expande quando sua temperatura aumenta. A Torre Eiffel, por exemplo, é de 10 a 15 centímetros mais altos no verão do que no inverno devido à sua expansão térmica. No entanto, esse efeito é extremamente indesejável para muitas aplicações técnicas. Por esse motivo, a pesquisa existe há muito tempo para materiais que sempre têm o mesmo comprimento, independentemente da temperatura. Invar, por exemplo, uma liga de ferro e níquel, é conhecida por sua expansão térmica extremamente baixa. Como essa propriedade pode ser explicada fisicamente, no entanto, não estava totalmente clara até agora.
Agora, uma colaboração entre pesquisadores teóricos da TU Wien (Viena) e experimentalistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim levou a um avanço decisivo: usando simulações de computador complexas, foi possível entender o efeito invar – Magnet de piroclore chamado – uma liga que possui propriedades de expansão térmica ainda melhores do que invar. Em uma faixa de temperatura extremamente ampla de mais de 400 kelvins, seu comprimento muda apenas em cerca de um dez milésimos de um por cento por Kelvin.
Expansão térmica e seu antagonista
“Quanto maior a temperatura em um material, mais os átomos tendem a se mover – e quando os átomos se movem mais, eles precisam de mais espaço. A distância média entre eles aumenta”, explica o Dr. Sergii Khmelevskyi da pesquisa de Viena Scientific (VSC) Centro em tu wien. “Esse efeito é a base da expansão térmica e não pode ser impedido. Mas é possível produzir materiais nos quais é quase exatamente equilibrado por outro efeito compensador”.
Segii Khmelevskyi e sua equipe desenvolveram simulações complexas de computador que podem ser usadas para analisar o comportamento dos materiais magnéticos à temperatura finita no nível atômico. “Isso nos permitiu entender melhor o motivo pelo qual o Invar dificilmente se expande”, diz Khmelevskyi. “O efeito é devido a certos elétrons mudarem seu estado à medida que a temperatura aumenta. A ordem magnética no material diminui, fazendo com que o material se contraia. Esse efeito cancela quase exatamente a expansão térmica usual “.
Já se sabia que a ordem magnética no material é responsável pelo efeito invar. Mas apenas com as simulações de computador da Viena, tornou -se possível entender os detalhes desse processo com tanta precisão que as previsões de outros materiais poderiam ser feitas. “Pela primeira vez, está disponível uma teoria que pode fazer previsões de concreto para o desenvolvimento de novos materiais com expansão térmica de desaparecimento”, diz Sergii Khmelevskyi.
O ímã de piroclore com planos de Kagome.
Para testar essas previsões na prática, Sergii Khmelevskyi trabalhou em conjunto com a equipe experimental do Prof. Xianran Xing e Ass. Yili Cao, do Instituto da Química do Estado Sólido da Universidade de Ciência e Tecnologia, Pequim. O resultado dessa cooperação foi apresentado agora: o chamado ímã de piroqulore.
Em contraste com as ligas invar anteriores, que consistem apenas em dois metais diferentes, o ímã do piroqulore possui quatro componentes: zircônio, nióbio, ferro e cobalto. “É um material com um coeficiente extremamente baixo de expansão térmica em uma faixa de temperatura sem precedentes”, diz Yili Cao.
Esse comportamento notável de temperatura tem a ver com o fato de que o ímã de piroqulore não possui uma estrutura de treliça perfeita que sempre se repete exatamente da mesma maneira. A composição do material não é a mesma em todos os pontos, é heterogênea. Algumas áreas contêm um pouco mais de cobalto, algumas um pouco menos. Ambos os subsistemas reagem de maneira diferente às mudanças de temperatura. Isso permite que os detalhes da composição do material sejam equilibrados, ponto a ponto de tal maneira que a expansão geral da temperatura seja quase exatamente zero.
O material pode ser de particular interesse em aplicações com flutuações extremas de temperatura ou técnicas precisas de medição, como na aviação, aeroespacial ou componentes eletrônicos de alta precisão.
Publicações originais:
Trabalho teórico:
S. Khmelevskyi und S. Steiner, teoria preditiva da magnetoestrição anômala de volume em ligas Fe-Ni: mecanismo de repovoamento de ligações do efeito invar, o Journal of Physical Chemistry C 128/1.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.3c07037
Nova publicação com simulações de computador (Áustria) e experimento (China): Y. Sun et al., A heterogeneidade química local permitiu a expansão térmica Zero Superior em ímãs de piroqulore não -estoquiométricos, National Science Review, NWAE462. https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae462/7926974
