La mayoría de los materiales se hinchan cuando se calientan y se encogen cuando se enfrían. Pero el físico de la UConn Jason Hancock ha estado investigando una sustancia que responde a la inversa: se encoge cuando se calienta.
Aunque la expansión térmica, y las grietas y deformaciones que a menudo resultan, son una ocurrencia cotidiana, en edificios, puentes, productos electrónicos y casi cualquier otra cosa expuesta a cambios bruscos de temperatura, los físicos tienen problemas para explicar por qué los sólidos se comportan de esa manera.
Investigación de Hancock y sus colegas sobre el trifluoruro de escandio, un material que tiene expansión térmica negativa, publicado el 1 de octubre en Revisión física B , puede conducir a una mejor comprensión de por qué los materiales cambian el volumen con la temperatura, con posibles aplicaciones como la electrónica más duradera.
La forma clásica de pensar en sólidos como el vidrio, el metal y la roca los imagina hechos de átomos unidos por resortes. Los resortes se estiran y flexionan en respuesta al calor. Pero debido a que cada resorte, cuando se expande, ejerce presión sobre sus vecinosresortes, y todos esos resortes vecinos se expanden la misma cantidad y ejercen la misma presión sobre el primer resorte y todos sus propios resortes vecinos, las fuerzas que ejercen entre sí deben ser simétricas, y el material no debe expandirse ni contraerse.
"En muchos sentidos, el modelo es bueno", dice Hancock. "Explica la dispersión inelástica de neutrones y rayos X, muchos otros efectos ópticos, la velocidad de las ondas de sonido, aspectos de elasticidad y conducción de calor, incluso la transicióntemperatura de algunos superconductores "
Pero no hace un buen trabajo al explicar la expansión térmica.
Hancock y el estudiante de posgrado Sahan Handunkanda decidieron mirar el trifluoruro de escandio porque su comportamiento extraño podría darles algunas pistas sobre qué buscar en materiales más típicos. El trifluoruro de escandio no solo se reduce drásticamente a medida que se calienta en un amplio rango de temperatura casi 1.100 K o 2.000 F; también mantiene la misma estructura de cristal cúbico estable en un rango de temperatura aún mayor, desde casi cero absoluto a 1.800 grados Kelvin 2.780 grados Fahrenheit, momento en el que se derrite. Muy pocos materiales pueden presumirde ser tan estable; la mayoría tiene algún tipo de cambio de fase, durante el cual sus átomos cambian de posición, al menos una vez cuando se calientan a más de 2,780 grados Fahrenheit.
Para descubrir qué estaba sucediendo dentro del trifluoruro de escandio, los investigadores decidieron usar rayos X para mostrar cómo los átomos en el cristal se movían a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto. Para hacer esto bien, necesitaban un cristal perfecto detrifluoruro de escandio, algo que era muy difícil de conseguir. Después de buscar, encontraron posiblemente la única fuente de los cristales perfectos que necesitaban: un grupo en el Instituto Kirensky de Física en Krasnoyarsk, Siberia, dirigido por Vladimir Voronov. Voronov acordó enviarles cristalespor correo, y programaron el tiempo del haz de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Los investigadores arrojaron un rayo de rayos X sobre el cristal perfecto. Sabían exactamente cuánta energía tenían los rayos X en el cristal, y rastrearon cuidadosamente cuánta energía habían salido los rayos X. Al rastrearla cantidad de energía que perdieron los rayos X, el ángulo en que ingresaron al cristal y el ángulo en que emergieron, los investigadores pudieron calcular cómo se movían los átomos de trifluoruro de escandio.
"Cuando los rayos X rebotan de la muestra, hacen pequeñas salpicaduras de vibración en la red", dice Hancock. Las columnas de moléculas de trifluoruro de escandio, cada una con forma de octaedro, parecían estar girando en su lugar, incluso cerca decero grados
La facilidad con la que las columnas se retuercen a una temperatura cercana a cero es inusual: la estructura es "más suave" que la mayoría de los materiales a cero Kelvin. La suavidad observada de la estructura molecular del fluoruro de escandio sugiere que está a punto de sufrir un cambio de fase, peronunca llega allí, incluso cerca del cero absoluto. Tal cambio cerca del cero absoluto se llama transición de fase cuántica, y es un área de intensa actividad de investigación en física, principalmente porque tales transiciones a menudo desafían la comprensión teórica actual de cómo funcionan los materiales.
Las pistas descubiertas en este estudio sugieren que podría haber una relación profunda entre las fuerzas cuánticas y la contracción gigante que experimenta el material a medida que se calienta. Hancock y Handunkanda quisieran explorar las implicaciones de eso tanto experimental como teóricamente.
En un nivel más inmediato, el trifluoruro de escandio es un material con futuro. Su estructura cristalina es similar a la de muchos materiales utilizados en electrónica, y es transparente, lo que lo convierte en un componente potencial interesante de dispositivos que no se encogen, agrietan oromper bajo estrés térmico.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Connecticut . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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