Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio sintetizaron recientemente un material novedoso que muestra propiedades únicas de expansión térmica. El método utilizado por los científicos permite la producción de un óxido cristalino único que contiene circonio, azufre, y fósforo, que exhibe dos mecanismos distintos de expansión térmica negativa. Este es el primer material conocido que muestra esta propiedad y su aplicación puede ayudar a evitar daños a los materiales compuestos. como componentes de chips de computadora, enfrentarse a cambios inesperados de temperatura.

La mayoría de los materiales tienden a expandirse cuando se calientan, a medida que los átomos se separan. La expansibilidad de los materiales bajo calor se mide utilizando el coeficiente de expansión térmica (CTE). La mayoría de los materiales de grado industrial actuales tienen un CTE positivo, haciendo que rindan mal cuando se someten a temperaturas más "extremas". Sin embargo, algunos materiales experimentan el efecto contrario, encogiéndose a temperaturas más altas. Este proceso inusual, conocida como expansión térmica negativa, puede ayudar a resolver el problema del daño por calor en los materiales compuestos.

Un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Tokio dirigido por el profesor asociado Toshihiro Isobe ha estado investigando materiales con CTE negativo. Como explica el Dr. Isobe, "El comportamiento negativo de la expansión térmica se puede atribuir principalmente a dos tipos de mecanismos, transición de fase y mecanismo de tipo marco ". Ambos mecanismos han encontrado una aplicación industrial, ya que ambos tienen pros y contras. Los materiales de tipo de transición de fase tienen grandes CTE negativos pero rangos de temperatura utilizables estrechos, que limita su uso operativo, particularmente como cargas en materiales compuestos. Materiales tipo estructura, por otra parte, mostrar contracción térmica en un amplio rango de temperatura, pero debido a que tienen valores CTE absolutos pequeños, se requieren en grandes cantidades para lograr el resultado deseado. Durante años, Los científicos han estado buscando un compromiso adecuado entre los dos, pero nunca se han reportado materiales capaces de sufrir ambos mecanismos de expansión térmica negativa, hasta ahora.

En su nuevo estudio, publicado en Materiales de NPG Asia , El Dr. Isobe y su equipo informan sobre un método para sintetizar un óxido cristalino novedoso hecho de circonio, azufre, y fósforo, y describir sus características. Este cristal cuya fórmula química es Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ , es descrito por el Dr. Isobe como "un material CTE negativo que muestra mecanismos de transición y de estructura cuando se calienta".

Los científicos encontraron que, mientras que Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ exhibe ambos mecanismos de mecanismo térmico negativo mencionados anteriormente, uno podría ser dominante a una temperatura determinada. Por ejemplo, entre 393K (aproximadamente 120 ° C) y 453K (aproximadamente 180 ° C), el material se encogió rápidamente y algunas de las unidades estructurales se deformaron, que indica una transición de fase. Sin embargo, por encima y por debajo de este rango de temperatura, la contracción no fue tan pronunciada, y, en cambio, los investigadores observaron pequeños cambios en la longitud y el ángulo de los enlaces entre los átomos, una característica del mecanismo de tipo marco.

Los investigadores también notaron un fenómeno interesante. Descubrieron que los cristales que contenían menos átomos de azufre en la red se deformaban más fácilmente durante la transición de fase (120-180 ° C), resultando en una mayor contracción del material (mayor CTE negativo). Esto puede ayudar a producir Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ cristales con el CTE deseado para aplicaciones específicas.

Este nuevo material cristalino y el mecanismo de su producción podrían allanar el camino para la síntesis de compuestos con un mecanismo dual similar. De esta manera, Los ingenieros de materiales podrían seleccionar compuestos con propiedades específicas para adaptar el rendimiento de los materiales fabricados a las condiciones operativas específicas.