
Complejas simulaciones por ordenador han dado como resultado una aleación de metal que prácticamente no muestra expansión térmica en intervalos de temperatura extremadamente grandes.
La mayoría de los metales se dilatan cuando aumenta su temperatura. Por ejemplo, la Torre Eiffel 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 este motivo, los científicos llevan mucho tiempo buscando 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 se puede explicar físicamente esta propiedad.
Ahora, una colaboración entre investigadores teóricos de la Universidad Tecnológica de Viena y experimentales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín ha dado lugar a un avance decisivo.
Mediante complejas simulaciones por ordenador, ha sido posible comprender en detalle el efecto del invar y, de este modo, desarrollar un imán llamado pirocloro, una aleación que tiene propiedades de dilatación térmica aún mejores que el invar. En un rango de temperaturas extremadamente amplio de más de 400 Kelvin, su longitud solo cambia aproximadamente una diezmilésima del 1 % por Kelvin. El estudio se publica en la revista National Science Review.
“Cuanto más alta es la temperatura de un material, más tienden a moverse los átomos y, cuanto más se mueven, más espacio necesitan. La distancia media entre ellos aumenta”, explica en un comunicado el Dr. Sergii Khmelevskyi, del Centro de Investigación del Clúster Científico de Viena (VSC) de la Universidad Técnica de Viena. “Este efecto es la base de la dilatación térmica y no se puede evitar, pero es posible producir materiales en los que se equilibre casi exactamente con otro efecto compensatorio”.
El Dr. Khmelevskyi y su equipo desarrollaron complejas simulaciones informáticas que se pueden utilizar para 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”, dice el Dr. Khmelevskyi. “El efecto se debe a que ciertos electrones cambian de estado a medida que aumenta la temperatura. El orden magnético en el material disminuye, lo que hace que el material se contraiga. Este efecto anula casi exactamente la dilatación térmica habitual".
Ya se sabía que el orden magnético del material es responsable del efecto invar. Pero sólo con las simulaciones por ordenador realizadas en Viena fue posible comprender los detalles de este proceso con tanta precisión que se pudieron hacer predicciones para otros materiales. “Por primera vez, existe una teoría que puede hacer predicciones concretas para el desarrollo de nuevos materiales con expansión térmica que se desvanece”, dice el Dr. Khmelevskyi.
EL IMÁN DE PIROCLORO
Para probar estas predicciones en la práctica, el Dr. Khmelevskyi trabajó junto con el equipo experimental del Prof. Xianran Xing y el Prof. Adjunto Yili Cao del Instituto de Química del Estado Sólido de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín. El resultado de esta cooperación se ha presentado ahora: el llamado imán de pirocloro.
A diferencia de las aleaciones de invar anteriores, que sólo constan de dos metales diferentes, el imán de pirocloro tiene cuatro componentes: circonio, niobio, hierro y cobalto. “Se trata de un material con un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo en un rango de temperaturas sin precedentes”, afirma Cao.
Este comportamiento de temperatura tan notable se debe a que el imán de pirocloro no tiene una estructura reticular perfecta que se repita siempre exactamente de la misma manera. 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 punto por punto los detalles de la composición del material de tal forma que la expansión térmica total sea 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.