Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Tienen nueva evidencia experimental y una teoría predictiva que resuelve un misterio de la ciencia de los materiales de larga data: por qué ciertos materiales cristalinos se encogen cuando se calientan. Su trabajo, recién publicado en Avances científicos , 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 los 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 hace que los lados de estos cristales aparentemente sólidos en forma de cubo se doblen cuando se calientan, lo que hace que las esquinas se unan más.
"Normalmente, cuando algo se calienta, se expande", dijo el físico de Brookhaven Igor Zaliznyak, quien dirigió el proyecto. "Cuando calientas algo, las vibraciones atómicas aumentan en magnitud y el tamaño general del material aumenta para acomodar las vibraciones más grandes".
Sin embargo, esa relación no es válida para ciertos materiales flexibles, incluidos los polímeros en forma de cadena, como los plásticos y el caucho. En esos materiales, el aumento del calor aumenta las vibraciones solo perpendicularmente a la longitud de las cadenas imagine las vibraciones laterales de una guitarra pulsadacadena. Esas vibraciones transversales acercan los extremos de las cadenas, lo que resulta en una contracción general.
¿Pero qué pasa con el fluoruro de escandio? Con una estructura cristalina cúbica sólida, 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 tienen que mantener sus orientaciones relativas,sin importar el tamaño del cristal, los físicos se quedaron confundidos para 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 Spallation SNS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Medición de cómo los haces de neutrones, untipo de partícula subatómica, dispersar 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, conocido como "función de distribución de pares", describe la probabilidad deencontrar dos átomos separados por una cierta distancia en un material.Los algoritmos computacionales luego clasifican las probabilidades para encontrar el modelo estructural que mejor se ajuste a los datos.
Zaliznyak y Bozin se unieron con el equipo de Caltech para recopilar datos en SNS utilizando el ScF de Caltech 3 muestras para rastrear cómo las distancias entre los átomos vecinos cambiaron con el aumento de la temperatura.
David Wendt, un estudiante que comenzó una pasantía en el programa de investigación Brookhaven Lab High School en el laboratorio de Zaliznyak después de su segundo año en la escuela secundaria ahora estudiante de primer año en la Universidad de Stanford, manejó gran parte del análisis de datos. Continuó trabajando en el proyecto durante todo el año.sus días de escuela secundaria, ganando el puesto de primer autor en el papel.
"David básicamente redujo los datos a la forma que podríamos analizar usando nuestros algoritmos, ajustó los datos, compuso un modelo para modelar las posiciones de los átomos de flúor e hizo el análisis estadístico para comparar nuestros resultados experimentales con el modelo. Ella cantidad de trabajo que hizo es como lo haría un buen postdoc ", dijo Zaliznyak.
"Estoy muy agradecido por la oportunidad que Brookhaven Lab me brindó para 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", dijo Zaliznyak, "lo cual es consistente con la razón por la cual 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 se mantuvieran en una configuración fija, como siempre se había supuesto, ¡y encontramos todo lo contrario!", Dijo Zaliznyak.
Alexei Tkachenko, experto en la teoría de la materia condensada blanda en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia hizo contribuciones esenciales a la explicación de estos datos inesperados.
Dado que los átomos de flúor parecían no limitarse a posiciones rígidas, la explicación podría basarse en una teoría mucho más antigua desarrollada originalmente por Albert Einstein para explicar los movimientos atómicos al considerar cada átomo individual por separado. Y sorprendentemente, la explicación final muestra que el calor-contracción inducida 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 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", explicó ZaliznyakSin embargo, los átomos de flúor en el centro de cada lado del cubo no están restringidos por ningún otro enlace. Por lo tanto, a medida que aumenta la temperatura, los átomos de flúor "con restricciones" pueden oscilar independientemente en direcciones perpendiculares a los enlaces rígidos Sc-FEsas oscilaciones térmicas transversales atraen los átomos de Sc en las esquinas de la red cúbica más cerca, lo que resulta en una contracción similar a la observada en los polímeros.
coincidencia 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, los materiales utilizados en el mecanizado de precisión idealmente deberían mostrar pequeños cambios en respuesta al calentamiento y enfriamiento para mantener el mismoprecisión en todas las condiciones Los materiales utilizados en aplicaciones médicas, tales como empastes dentales o reemplazos óseos, deben 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 relleno se expandiera mientras sudiente contraído al beber café caliente!. Y en semiconductores o líneas submarinas de transmisión de fibra óptica, 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 poco restringida como esa en ScF 3 también está presente en los superconductores a base de óxido de cobre y hierro, donde se cree que las vibraciones de la red cristalina desempeñan 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 misterioen estos superconductores ", agregó.
"Este trabajo se benefició profundamente de las importantes ventajas de los laboratorios nacionales del DOE, incluidas las instalaciones únicas del DOE y nuestra capacidad de tener proyectos a largo plazo donde se acumulan importantes contribuciones a lo largo del tiempo para culminar en un descubrimiento", dijo Zaliznyak ".Representa la confluencia única de diferentes experiencias entre los coautores, incluido un estudiante interno dedicado a la escuela secundaria, que pudimos integrar sinérgicamente para este proyecto. No hubiera sido posible llevar a cabo esta investigación con éxito sin la experiencia brindada por todoslos miembros del equipo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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