Avanço na investigação de materiais: o metal que não se expande
Uma liga de vários metais foi optimizada com base em simulações informáticas, de modo a praticamente não apresentar dilatação térmica
A maioria dos metais dilata-se quando a sua temperatura aumenta. A Torre Eiffel, por exemplo, é cerca de 10 a 15 centímetros mais alta no verão do que no inverno devido à sua expansão térmica. No entanto, este efeito é extremamente indesejável para muitas aplicações técnicas. Por esta razão, há muito que se procura materiais que tenham sempre o mesmo comprimento, independentemente da temperatura. O Invar, por exemplo, uma liga de ferro e níquel, é conhecido pela sua expansão térmica extremamente baixa. No entanto, a forma como esta propriedade pode ser explicada fisicamente não era totalmente clara até agora.
Agora, uma colaboração entre a investigação teórica na TU Wien e as experiências na Universidade de Tecnologia de Pequim conduziu a um avanço decisivo: através de complexas simulações em computador, foi possível compreender o efeito Invar em pormenor e, assim, desenvolver o chamado íman de pirocloro - uma liga que tem propriedades de expansão térmica ainda melhores do que o Invar: numa gama de temperaturas extremamente ampla de mais de 400 graus, o seu comprimento apenas se altera em cerca de um décimo de milésimo de um por cento por grau.
A expansão térmica e o seu antagonista
"Quanto mais elevada for a temperatura num material, mais os átomos se movem - e quando os átomos se movem mais, precisam de mais espaço e a distância média entre eles aumenta", explica o Dr. Sergii Khmelevskyi do Centro de Investigação do Aglomerado Científico de Viena (VSC) na TU Wien. "Este efeito é a base da expansão térmica e não pode ser evitado. Mas é possível produzir materiais em que outro efeito oposto equilibra quase exatamente a expansão térmica."
Segii Khmelevskyi e a sua equipa desenvolveram simulações computacionais complexas que podem ser utilizadas para analisar o comportamento dos materiais a nível atómico. "Isto permitiu-nos compreender melhor a causa do efeito invar, o que significa que certas ligas de ferro-níquel quase não se expandem", diz Khmelevskyi. "Isto acontece porque certos electrões mudam de estado à medida que a temperatura aumenta. A ordem magnética no material diminui, fazendo com que o material se contraia. Este efeito anula quase exatamente a expansão térmica habitual".
Já se sabia que a ordem magnética do material é responsável pelo efeito invar. Mas foi só com as simulações computacionais de Viena que os pormenores deste processo puderam ser compreendidos com tanta precisão que as previsões para outros materiais passaram a ser também possíveis. "Pela primeira vez, está disponível uma teoria que pode fazer previsões concretas para o desenvolvimento de novos materiais com expansão térmica decrescente", afirma Sergii Khmelevskyi.
O íman de pirocloro
Para testar estas previsões na prática, Sergii Khmelevskyi trabalhou com a equipa de Xianran Xing e do Prof. Yili Cao da Universidade de Tecnologia de Pequim. O resultado desta colaboração foi agora apresentado: O chamado íman de pirocloro.
Em contraste com as anteriores ligas de invar, que consistem apenas em dois metais diferentes, o íman de pirocloro tem quatro componentes: Zircónio, nióbio, ferro e cobalto. "O resultado é um material com um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo - numa gama de temperaturas sem precedentes", diz Yili Cao.
Este comportamento notável à temperatura tem a ver com o facto de o íman pirocloro não ser uma estrutura de rede perfeita que se repete sempre da mesma forma. A composição do material não é a mesma em todos os pontos, é heterogénea. Algumas zonas contêm um pouco mais de cobalto, outras um pouco menos. Ambos os subsistemas reagem de forma diferente às mudanças de temperatura. Isto permite que os detalhes da composição do material sejam equilibrados ponto a ponto, de tal forma que a expansão global da temperatura seja quase exatamente zero.
O material poderá ser de particular interesse em aplicações com flutuações extremas de temperatura ou técnicas de medição precisas, como na aviação, na indústria aeroespacial ou em componentes electrónicos de alta precisão.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação 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
Outras notícias do departamento ciência
