El calor tiende a hacer que los materiales se expandan y ganen volumen, un volumen que después se reduce cuando la temperatura desciende. Esto es un problema para arquitectos e ingenieros ya que este efecto es muy notorio en metales como el acero.
¿Y si pudiéramos evitar este problema?
Una nueva aleación. Un grupo de científicos ha creado una nueva aleación que apenas muestra expansión térmica a lo largo de una amplia horquilla de temperaturas. La clave del desarrollo ha estado en el invar, una aleación con propiedades similares que antes ha sido preciso descifrar.
100 años de misterio. El invar es una aleación compuesta de hierro, níquel y otros elementos con un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, es decir, una aleación que apenas se dilata ante un aumento en las temperaturas. En una horquilla que abarca más de 400 K (es decir, más de 400º Celsius), el invar tan solo se expande el 0,0001% de su longitud por cada grado Celsius (o por cada Kelvin).
Esta aleación fue creada a finales del siglo XIX por Charles Édouard Guillaume, quien recibiría el Premio Nobel en física en el año 1920 “por su descubrimiento de anomalías en las aleaciones de acero y níquel”. Hemos necesitado un siglo desde la concesión del galardón para comenzar a comprender la ciencia subyacente en esta escasa expansión térmica.
Expansión térmica. El fenómeno de la expansión térmica es un viejo conocido. Como explican los responsables del nuevo trabajo, este fenómeno es fruto del movimiento mismo de los átomos (recordemos que la temperatura no es otra cosa que eso). Cuando los átomos se calientan se mueven más y eso hace que necesiten más espacio, luego el material se expande.
Este fenómeno, continúan señalando, es inevitable, pero comprenderlo al detalle nos abre la puerta a crear nuevos materiales que equilibren de alguna manera este efecto. Para estudiarlo, el equipo recurrió a simulaciones por ordenador que permitían analizar el comportamiento de materiales magnéticos en escalas diminutas.
“Esto nos permitió comprender mejor la razón por la que el invar apenas se expande”, señalaba en una nota de prensa Segii Khmelevskyi, coautor del nuevo estudio. El efecto se debe a cambios en el estado de los electrones que se dan conforme la temperatura aumenta. Estos cambios contrarrestan “casi exactamente” la expansión térmica del material, añade Khmelevskyi.
De la teoría a la práctica. Conocer la teoría abre la vía a la creación de nuevas aleaciones capaces de vencer a la expansión térmica. Es precisamente lo que hizo el equipo responsable del estudio, poner en práctica sus hallazgos. Y el resultado es lo que han denominado imán de pirocloro.
La nueva aleación combina más de dos compuestos: circonio, niobio, hierro y cobalto. “Es un material con un coeficiente térmico extremadamente bajo sobre un rango de temperaturas sin precedentes”, detalla Yili Cao, coautora del desarrollo.
“El efecto se debe a que ciertos electrones cambian su estado según aumenta la temperatura. El orden magnético del material decrece, lo que hace que el material se contraiga”, explica Cao. Este efecto es, precisamente, análogo al visto en el invar.
El secreto es la irregularidad. El equipo explica que lo marcado del efecto se también al hecho de que el imán de pirocloro no tiene una estructura en red perfecta, es decir, con los átomos dispuestos formando un patrón regular y repetido, sino más heterogénea. Algunas áreas contienen más o menos cobalto lo que hace que el material se expanda y contraiga en una proporción casi idéntica.
Los detalles del desarrollo fueron publicados en un artículo en la revista National Science Review.
Imagen | TU Wien
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La noticia
La expansión térmica ha sido un quebradero de cabeza durante siglos. Ahora estamos aprendiendo cómo esquivarla
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Pablo Martínez-Juarez
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