Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Tienen nueva evidencia experimental y una teoría predictiva que resuelve un antiguo misterio de la ciencia de los materiales:por qué ciertos materiales cristalinos se encogen cuando se calientan. Su trabajo, recién publicado en Avances de la ciencia , podría tener una aplicación generalizada para hacer coincidir las propiedades del material con aplicaciones específicas en medicina, electrónica, y otros campos, e incluso puede proporcionar una nueva visión de los superconductores no convencionales (materiales que transportan corriente eléctrica sin pérdida de energía).

La evidencia proviene de mediciones de precisión de las distancias entre átomos en cristales de fluoruro de escandio (ScF ₃ ), un material conocido por su contracción inusual bajo temperaturas elevadas (también conocido como "expansión térmica negativa"). Lo que descubrieron los científicos es un nuevo tipo de movimiento vibratorio que provoca que los lados de estos cristales aparentemente sólidos que se comban cuando se calientan, acercando así las esquinas.

"Normalmente, cuando algo se calienta, se expande, "dijo el físico de Brookhaven Igor Zaliznyak, quien lideró el proyecto. "Cuando calientas algo, las vibraciones atómicas aumentan en magnitud, y el tamaño total del material aumenta para adaptarse a las vibraciones más grandes ".

Esa relación sin embargo, no es válido para ciertos materiales flexibles, incluyendo polímeros en forma de cadena como plásticos y caucho. En esos materiales, el aumento de calor aumenta las vibraciones solo perpendiculares a la longitud de las cadenas (imagínese las vibraciones laterales de una cuerda de guitarra pulsada). Esas vibraciones transversales acercan los extremos de las cadenas, resultando en una contracción general.

Pero, ¿qué pasa con el fluoruro de escandio? Con un sólido estructura cristalina cúbica, no se parece en nada a un polímero, al menos a primera vista. Además, una suposición generalizada de que los átomos en un cristal sólido deben mantener sus orientaciones relativas, no importa el tamaño del cristal, dejó a los físicos confundidos al explicar cómo este material se encoge cuando se calienta.

Neutrones y un estudiante dedicado al rescate.

Un grupo del Instituto de Tecnología de California (Caltech) estaba usando un método para explorar este misterio en la Fuente de Neutrones de Espalación (SNS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Midiendo cómo haces de neutrones, un tipo de partícula subatómica, La dispersión de los átomos en un cristal puede proporcionar información valiosa sobre su disposición a escala atómica. Es particularmente útil para materiales livianos como el flúor que son invisibles a los rayos X, Dijo Zaliznyak.

Al enterarse de este trabajo, Zaliznyak señaló que su colega, Emil Bozin, un experto en una técnica diferente de análisis de dispersión de neutrones, probablemente podría avanzar en la comprensión del problema. El método de Bozin, conocida como "función de distribución de pares, "describe la probabilidad de encontrar dos átomos separados por una cierta distancia en un material. Luego, los algoritmos computacionales clasifican las probabilidades para encontrar el modelo estructural que mejor se ajusta a los datos.

Zaliznyak y Bozin se asociaron con el equipo de Caltech para recopilar datos en SNS utilizando ScF de Caltech ₃ muestras para rastrear cómo las distancias entre los átomos vecinos cambiaban con el aumento de temperatura.

David Wendt, un estudiante que comenzó una pasantía del Programa de Investigación de Brookhaven Lab High School en el laboratorio de Zaliznyak después de su segundo año en la escuela secundaria (ahora un estudiante de primer año en la Universidad de Stanford), manejó gran parte del análisis de datos. Continuó trabajando en el proyecto durante sus días de escuela secundaria, ganando el puesto de primer autor en el artículo.

"Básicamente, David redujo los datos a la forma que pudiéramos analizar con nuestros algoritmos, ajustado los datos, compuso un modelo para modelar las posiciones de los átomos de flúor, e hicimos el análisis estadístico para comparar nuestros resultados experimentales con el modelo. ¡La cantidad de trabajo que hizo es como lo que haría un buen postdoctorado! ”, Dijo Zaliznyak.

"Estoy muy agradecido por la oportunidad que me brindó Brookhaven Lab de contribuir a la investigación original a través de su Programa de Investigación de la Escuela Secundaria, "Dijo Wendt.

Resultados:movimiento "suave" en un sólido

Las mediciones mostraron que los enlaces entre el escandio y el flúor realmente no cambian con el calentamiento. "De hecho, se expanden ligeramente, "Zaliznyak dijo, "lo cual es consistente con la razón por la que la mayoría de los sólidos se expanden".

Pero las distancias entre los átomos de flúor adyacentes se volvieron muy variables con el aumento de la temperatura.

"Estábamos buscando evidencia de que los átomos de flúor permanecieran en una configuración fija, como siempre se había asumido, ¡y encontramos todo lo contrario! ”, dijo Zaliznyak.

Alexei Tkachenko, un experto en la teoría de la materia blanda condensada en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab (otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias) hizo contribuciones esenciales a la explicación de estos datos inesperados.

Dado que los átomos de flúor no parecían estar confinados a posiciones rígidas, la explicación podría basarse en una teoría mucho más antigua desarrollada originalmente por Albert Einstein para explicar los movimientos atómicos considerando cada átomo individual por separado. Y sorprendentemente la explicación final muestra que la contracción inducida por calor en ScF ₃ tiene un parecido notable con el comportamiento de los polímeros de materia blanda.

"Dado que cada átomo de escandio tiene un enlace rígido con el flúor, las 'cadenas' de fluoruro de escandio que forman los lados de los cubos cristalinos (con escandio en las esquinas) actúan de manera similar a las partes rígidas de un polímero, "Zaliznyak explicó. Los átomos de flúor en el centro de cada lado del cubo, sin embargo, no están restringidos por ningún otro vínculo. Entonces, a medida que aumenta la temperatura, los átomos de flúor "subrestringidos" son libres de oscilar independientemente en direcciones perpendiculares a los enlaces rígidos Sc-F. Esas oscilaciones térmicas transversales acercan los átomos de Sc en las esquinas de la red cúbica, resultando en una contracción similar a la observada en los polímeros.

Combinación térmica para aplicaciones

Esta nueva comprensión mejorará la capacidad de los científicos para predecir o diseñar estratégicamente la respuesta térmica de un material para aplicaciones donde se esperan cambios de temperatura. Por ejemplo, Idealmente, los materiales utilizados en el mecanizado de precisión deberían mostrar pocos cambios en respuesta al calentamiento y enfriamiento para mantener la misma precisión en todas las condiciones. Materiales utilizados en aplicaciones médicas, como empastes dentales o reemplazos óseos, debe tener propiedades de expansión térmica que coincidan estrechamente con las de las estructuras biológicas en las que están incrustadas (¡piense en lo doloroso que sería si su empaste se expandiera mientras su diente se contraía al beber café caliente!). Y en semiconductores o líneas de transmisión de fibra óptica submarina, la expansión térmica de los materiales aislantes debe coincidir con la de los materiales funcionales para evitar impedir la transmisión de la señal.

Zaliznyak señala que una arquitectura de marco abierto con restricciones como la de ScF ₃ también está presente en superconductores a base de óxido de cobre y hierro, donde se cree que las vibraciones de la red cristalina juegan un papel en la capacidad de estos materiales para transportar corriente eléctrica sin resistencia.

"La oscilación independiente de los átomos en estas estructuras de marco abierto puede contribuir a las propiedades de estos materiales en formas que ahora podemos calcular y comprender, ", Dijo Zaliznyak." De hecho, podrían explicar algunas de nuestras propias observaciones experimentales que aún siguen siendo un misterio en estos superconductores. "añadió.

"Este trabajo se benefició profundamente de las importantes ventajas de los laboratorios nacionales del DOE, incluidas las instalaciones únicas del DOE y nuestra capacidad para tener proyectos a largo plazo en los que se acumulan contribuciones importantes a lo largo del tiempo para culminar en un descubrimiento, ", Dijo Zaliznyak." Representa la confluencia única de diferentes conocimientos entre los coautores, incluyendo un pasante dedicado a estudiantes de secundaria, que pudimos integrar sinérgicamente para este proyecto. No habría sido posible llevar a cabo con éxito esta investigación sin la experiencia proporcionada por todos los miembros del equipo ".