¿Sabes cómo dejas espacio en una botella de agua antes de meterla en el congelador, para adaptarse al hecho de que el agua se expande al congelarse? La mayoría de las piezas metálicas de los aviones enfrentan el problema opuesto más común. A grandes altitudes (bajas temperaturas) se encogen. Para evitar que tal contracción cause grandes desastres, Los ingenieros fabrican aviones con materiales compuestos o aleaciones. mezclar materiales que tienen propiedades de expansión opuestas para equilibrarse entre sí.

Una nueva investigación realizada en parte en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. Puede traer una clase completamente nueva de elementos químicos a este acto de equilibrio de la ciencia de los materiales.

Como se describe en un artículo recién publicado en la revista Cartas de revisión física , Los científicos utilizaron rayos X en la Fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., y otras dos fuentes de luz de sincrotrón para explorar un metal inusual que se expande dramáticamente a baja temperatura. Los experimentos con sulfuro de samario dopado con algunas impurezas revelaron detalles sobre la estructura a nivel atómico del material y los orígenes basados ​​en electrones de su "expansión térmica negativa".

Este trabajo abre vías para diseñar nuevos materiales donde el grado de expansión se puede ajustar con precisión ajustando la receta química. También sugiere algunos materiales relacionados que podrían explorarse para aplicaciones de mezcla de metales.

"En aplicaciones prácticas, ya sea un avión o un dispositivo electrónico, desea hacer aleaciones de materiales con estas propiedades opuestas:cosas que se expanden en un lado y se encogen en el otro cuando se enfrían, así que en total permanece igual, "explicó Daniel Mazzone, autor principal del artículo y becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales de NSLS-II y Brookhaven Lab.

Pero los materiales que imitan la expansión del agua cuando se enfría son pocos y distantes entre sí. Y aunque se comprende bien la expansión del agua helada, la espectacular expansión del sulfuro de samario nunca se había explicado.

Como otros materiales que ha estudiado Mazzone, este compuesto a base de samario (específicamente sulfuro de samario con algunos átomos de itrio que toman el lugar de unos pocos átomos de samario) se caracteriza por fases electrónicas en competencia (algo análogas al sólido, líquido, y fases gaseosas de agua). Dependiendo de condiciones externas como temperatura y presión, los electrones en el material pueden hacer diferentes cosas. En algunos casos, el material es un metal dorado a través del cual los electrones pueden moverse libremente:un conductor. En otras condiciones, es un semiconductor de color negro, permitiendo que fluyan sólo algunos electrones.

El estado metálico dorado es el que se expande dramáticamente cuando se enfría, haciéndolo un metal extremadamente inusual. Mazzone y sus colegas recurrieron a los rayos X y las descripciones teóricas del comportamiento de los electrones para averiguar por qué.

En la línea de luz de la función de distribución de pares (PDF) de NSLS-II, los científicos realizaron experimentos de difracción. La línea de luz PDF está optimizada para estudios de materiales fuertemente correlacionados bajo una variedad de condiciones externas como bajas temperaturas y campos magnéticos. Para este experimento, El equipo colocó muestras de su metal de samario dentro de un criostato refrigerado por helio líquido en el haz de rayos X de NSLS-II y midió cómo los rayos X rebotaban en los átomos que forman la estructura cristalina del material a diferentes temperaturas.

"Realizamos un seguimiento de cómo los rayos X rebotan en la muestra para identificar la ubicación de los átomos y las distancias entre ellos, "dijo Milinda Abeykoon, el científico principal de la línea de luz PDF. "Nuestros resultados muestran que, a medida que baja la temperatura, los átomos de este material se alejan más, provocando que todo el material se expanda hasta un tres por ciento en volumen ".

El equipo también utilizó rayos X en el sincrotrón SOLEIL en Francia y el sincrotrón SPring-8 en Japón para observar en detalle lo que estaban haciendo los electrones en el material en diferentes etapas de la transición inducida por la temperatura.

"Estos experimentos de 'espectroscopia de absorción de rayos X' pueden rastrear si los electrones se mueven hacia adentro o hacia afuera de la 'capa' más externa de electrones alrededor de los átomos de samario, "explicó el coautor para correspondencia, Ignace Jarrige, físico en NSLS-II.

Si piensa en uno de los conceptos básicos de la química, quizás recuerde que los átomos con capas externas vacías tienden a ser los más reactivos. La capa exterior del samario está medio llena.

"Toda la física está esencialmente contenida en esta última capa, que no está lleno o no está vacío, "Dijo Mazzone.

Los experimentos de rayos X con seguimiento de electrones revelaron que los electrones que fluían a través del metal de sulfuro de samario se movían hacia esa capa exterior alrededor de cada átomo de samario. A medida que la nube de electrones de cada átomo crecía para acomodar los electrones adicionales, todo el material se expandió.

Pero los científicos aún tenían que explicar el comportamiento basándose en teorías físicas. Con la ayuda de los cálculos realizados por Maxim Dzero, un físico teórico de la Universidad Estatal de Kent, pudieron explicar este fenómeno con el llamado efecto Kondo, nombrado en honor al físico Jun Kondo.

La idea básica detrás del efecto Kondo es que los electrones interactuarán con las impurezas magnéticas en un material, alineando sus propios giros en la dirección opuesta de la partícula magnética más grande para "filtrar, " O cancelar, su magnetismo.

En el material de sulfuro de samario, Dzero explicó, la capa exterior casi medio llena de cada átomo de samario actúa como una pequeña impureza magnética que apunta en una dirección determinada. "Y como tienes un metal, también encuentras electrones libres que pueden acercarse y cancelar estos pequeños momentos magnéticos, "Dijo Dzero.

No todos los elementos sujetos al efecto Kondo tienen electrones que llenan la capa más externa, ya que también puede ir en sentido contrario, provocando que los electrones abandonen la capa. La dirección está determinada por un delicado equilibrio energético dictado por las reglas de la mecánica cuántica.

"Para algunos elementos, debido a la forma en que se llena la capa exterior, es energéticamente más favorable que los electrones salgan de la capa. Pero para un par de estos materiales, los electrones pueden entrar, que conduce a la expansión, "Dijo Jarrige. Además del samario, los otros dos elementos son tulio e iterbio.

Valdría la pena explorar los compuestos que contienen estos otros elementos como posibles ingredientes adicionales para crear materiales que se expanden al enfriarse. Dijo Jarrige.

Finalmente, los científicos notaron que la extensión de la expansión térmica negativa en el sulfuro de samario se puede ajustar variando la concentración de impurezas.

"Esta capacidad de ajuste hace que este material sea muy valioso para la ingeniería de aleaciones de expansión equilibrada, "Dijo Mazzone.

"La aplicación de modelos de teoría de muchos cuerpos altamente desarrollados fue una parte importante del trabajo para identificar la conexión entre el estado magnético de este material y su expansión de volumen, "dijo Jason Hancock, colaborador de la Universidad de Connecticut (UConn). "Esta colaboración entre Kent State, UConn, Laboratorio Brookhaven, sincrotrones asociados, y los grupos de síntesis en Japón podrían potencialmente guiar los esfuerzos de descubrimiento de nuevos materiales que hacen uso de las propiedades inusuales de estos materiales de tierras raras ".