Una svolta nella ricerca sui materiali: il metallo che non si espande
Una lega di diversi metalli è stata ottimizzata sulla base di simulazioni al computer in modo che non mostri praticamente alcuna espansione termica
La maggior parte dei metalli si espande quando la temperatura aumenta. La Torre Eiffel, ad esempio, in estate è più alta di 10-15 centimetri rispetto all'inverno a causa della sua espansione termica. Tuttavia, questo effetto è estremamente indesiderabile per molte applicazioni tecniche. Per questo motivo, da tempo si cerca di trovare materiali che abbiano sempre la stessa lunghezza indipendentemente dalla temperatura. L'Invar, ad esempio, una lega di ferro e nichel, è noto per la sua bassissima espansione termica. Tuttavia, fino ad oggi non era del tutto chiaro come questa proprietà potesse essere spiegata fisicamente.
Ora, una collaborazione tra la ricerca teorica della TU Wien e gli esperimenti dell'Università di Tecnologia di Pechino ha portato a una svolta decisiva: utilizzando complesse simulazioni al computer, è stato possibile comprendere in dettaglio l'effetto Invar e quindi sviluppare un cosiddetto magnete pirocloro - una lega che ha proprietà di espansione termica ancora migliori dell'Invar: in un intervallo di temperatura estremamente ampio, di oltre 400 gradi, la sua lunghezza varia solo di circa un decimillesimo di uno per cento per grado.
L'espansione termica e il suo antagonista
"Più alta è la temperatura di un materiale, più gli atomi si muovono; e quando gli atomi si muovono di più, hanno bisogno di più spazio e la distanza media tra loro aumenta", spiega il dottor Sergii Khmelevskyi del Centro di Ricerca del Vienna Scientific Cluster (VSC) della TU Wien. "Questo effetto è alla base dell'espansione termica e non può essere evitato. Ma è possibile produrre materiali in cui un altro effetto opposto bilancia quasi esattamente l'espansione termica".
Segii Khmelevskyi e il suo team hanno sviluppato complesse simulazioni al computer che possono essere utilizzate per analizzare il comportamento dei materiali a livello atomico. "Questo ci ha permesso di capire meglio la causa dell'effetto invar, per cui alcune leghe di ferro-nichel non si espandono quasi per niente", spiega Khmelevskyi. "Questo perché alcuni elettroni cambiano stato all'aumentare della temperatura. L'ordine magnetico nel materiale diminuisce, causando la contrazione del materiale. Questo effetto annulla quasi esattamente la normale espansione termica".
Era già noto che l'ordine magnetico del materiale è responsabile dell'effetto invar. Ma solo grazie alle simulazioni al computer di Vienna è stato possibile comprendere i dettagli di questo processo in modo così preciso da poter fare previsioni anche per altri materiali. "Per la prima volta è disponibile una teoria in grado di fare previsioni concrete per lo sviluppo di nuovi materiali con espansione termica nulla", afferma Sergii Khmelevskyi.
Il magnete pirocloro
Per verificare queste previsioni nella pratica, Sergii Khmelevskyi ha collaborato con il team di Xianran Xing e dell'Ass. Prof. Yili Cao dell'Università di Tecnologia di Pechino. Il risultato di questa collaborazione è stato ora presentato: Il cosiddetto magnete pirocloro.
A differenza delle precedenti leghe invar, che consistono solo di due metalli diversi, il magnete pirocloro ha quattro componenti: Zirconio, niobio, ferro e cobalto. "Il risultato è un materiale con un coefficiente di espansione termica estremamente basso, in un intervallo di temperature senza precedenti", spiega Yili Cao.
Questo notevole comportamento alla temperatura ha a che fare con il fatto che il magnete pirocloro non è una struttura reticolare perfetta che si ripete sempre allo stesso modo. La composizione del materiale non è la stessa in ogni punto, è eterogenea. Alcune aree contengono un po' più cobalto, altre un po' meno. Entrambi i sottosistemi reagiscono in modo diverso alle variazioni di temperatura. Ciò consente di bilanciare i dettagli della composizione del materiale punto per punto, in modo tale che l'espansione termica complessiva sia quasi esattamente pari a zero.
Il materiale potrebbe essere particolarmente interessante in applicazioni con fluttuazioni di temperatura estreme o tecniche di misurazione precise, come nel settore aeronautico, aerospaziale o dei componenti elettronici di alta precisione.
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Pubblicazione originale
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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