Utilizando potentes simulaciones por computadora, los investigadores de la Universidad de Brown han identificado un material con un punto de fusión más alto que cualquier sustancia conocida.
Los cálculos, descritos en el diario Revisión física B Comunicaciones rápidas, mostró que un material hecho con las cantidades correctas de hafnio, nitrógeno y carbono tendría un punto de fusión de más de 4,400 kelvins 7,460 grados Fahrenheit. Eso es aproximadamente dos tercios de la temperatura en la superficiedel sol y 200 kelvin más altos que el punto de fusión más alto jamás registrado experimentalmente.
El poseedor del registro experimental es una sustancia hecha de los elementos hafnio, tantalio y carbono Hf-Ta-C. Pero estos nuevos cálculos sugieren que una composición óptima de hafnio, nitrógeno y carbono es HfN0.38C0.51 - es un candidato prometedor para establecer una nueva marca. El siguiente paso, que los investigadores están emprendiendo ahora, es sintetizar material y corroborar los hallazgos en el laboratorio.
"La ventaja de comenzar con el enfoque computacional es que podemos probar muchas combinaciones diferentes de manera muy económica y encontrar otras con las que valga la pena experimentar en el laboratorio", dijo Axel van de Walle, profesor asociado de ingeniería y coautor deel estudio con el investigador postdoctoral Qijun Hong. "De lo contrario, estaríamos filmando en la oscuridad. Ahora sabemos que tenemos algo que vale la pena intentar".
Los investigadores utilizaron una técnica computacional que infiere puntos de fusión simulando procesos físicos a nivel atómico, siguiendo la ley de la mecánica cuántica. La técnica analiza la dinámica de la fusión a medida que se producen a escala nanométrica, en bloques de aproximadamente 100 átomosLa técnica es más eficiente que los métodos tradicionales, pero aún exige computacionalmente debido a la gran cantidad de compuestos potenciales para probar. El trabajo se realizó utilizando la red informática XSEDE de la National Science Foundation y el grupo informático de alto rendimiento "Oscar" de Brown.
Van de Walle y Hong comenzaron analizando el material Hf-Ta-C para el cual el punto de fusión ya se había determinado experimentalmente. La simulación pudo dilucidar algunos de los factores que contribuyen a la notable tolerancia al calor del material.
El trabajo mostró que Hf-Ta-C combinaba un alto calor de fusión la energía liberada o absorbida cuando pasa de sólido a líquido con una pequeña diferencia entre las entropías desorden de las fases sólida y líquida ".hace que algo se derrita es la entropía obtenida en el proceso de transformación de fase ", explicó van de Walle." Entonces, si la entropía del sólido ya es muy alta, tiende a estabilizar el sólido y aumentar el punto de fusión ".
Luego, los investigadores utilizaron esos hallazgos para buscar compuestos que pudieran maximizar esas propiedades. Descubrieron que un compuesto con hafnio, nitrógeno y carbono tendría un calor de fusión similarmente alto pero una diferencia menor entre las entropías del sólido y ellíquido. Cuando calcularon el punto de fusión utilizando su enfoque computacional, resultó 200 kelvin más alto que el registro experimental.
Van de Walle y Hong ahora están colaborando con el laboratorio de Alexandra Navrotsky en la Universidad de California-Davis para sintetizar el compuesto y realizar los experimentos de punto de fusión. El laboratorio de Navrotksy está equipado para tales experimentos de alta temperatura.
En última instancia, el trabajo podría apuntar hacia nuevos materiales de alto rendimiento para una variedad de usos, desde el revestimiento de turbinas de gas hasta escudos térmicos en aviones de alta velocidad. Pero si el compuesto HfN0.38C0.51 en sí mismo será un material útil no est claro, dice van de Walle.
"El punto de fusión no es la única propiedad que es importante [en aplicaciones de materiales]", dijo. "Debería considerar cosas como las propiedades mecánicas y la resistencia a la oxidación y todo tipo de otras propiedades. Por lo tanto, tenga en cuenta esas cosases posible que desee mezclar otras cosas con esto que podrían reducir el punto de fusión. Pero como ya está comenzando tan alto, tiene más margen para ajustar otras propiedades. Así que creo que esto le da a la gente una idea de lo que se puede hacer ".
El trabajo también demuestra el poder de esta técnica computacional relativamente nueva, dice van de Walle. En los últimos años, el interés en usar la computación para explorar las propiedades materiales de una gran cantidad de compuestos candidatos ha aumentado, pero gran parte de ese trabajo se ha centradoen propiedades que son mucho más fáciles de calcular que el punto de fusión.
"El punto de fusión es un problema de predicción realmente difícil en comparación con lo que se ha hecho antes", dijo van de Walle. "Para la comunidad de modelos, creo que eso es lo especial de esto".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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