El nitruro de cromo, CrN, es un material magnético utilizado en la industria como, entre otras cosas, un recubrimiento de superficie dura. También es de interés para los investigadores, ya que es un mal conductor del calor a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado parauso, por ejemplo, en sistemas termoeléctricos. En tales sistemas, el material debe conducir corriente sin conducir calor.
El comportamiento del nitruro de cromo, sin embargo, es algo notable a temperaturas ligeramente más altas. Los nitruros son compuestos que contienen nitrógeno, N, junto con otro elemento. La capacidad de la mayoría de los nitruros para conducir el calor disminuye lenta pero seguramente a medida que aumenta la temperatura.La conducción de calor del nitruro de cromo, en cambio, cae precipitadamente después de un aumento moderado de la temperatura, y luego permanece en un nivel bajo constante, incluso cuando el material se calienta a 600 ° C. Los mecanismos detrás de este comportamiento han dejado perplejos a los investigadores durante muchos años..
La última década ha sido testigo de importantes avances en la investigación teórica en la ciencia de los materiales. Los investigadores han determinado qué métodos de cálculo son más precisos y han obtenido acceso a supercomputadoras lo suficientemente potentes como para poder realizar los cálculos.
"Ha habido un gran vacío en nuestro conocimiento en el caso particular de cómo funcionan los materiales magnéticos a altas temperaturas", dice Björn Alling, investigador en física teórica en LiU.
Fue hace casi cuatro años, a finales de 2014, que recibió una importante beca de investigación del Consejo de Investigación de Suecia para intentar llenar este vacío, en colaboración con investigadores del Max-Planck-Institut für Eisenforschung en DüsseldorfBjörn Alling pasó dos años en el instituto, líder mundial en investigación de materiales magnéticos.
La colaboración ha sido exitosa y resultó en un artículo en la revista Cartas de revisión física , donde el grupo describe un nuevo método que le ha permitido calcular exactamente lo que sucede en el nitruro de cromo cuando se calienta. Por fin tenemos cálculos teóricos que concuerdan con el comportamiento del material.
"Queremos comprender los materiales, independientemente de su temperatura, presión y composición, y poder describirlos con precisión. Los cálculos teóricos y los métodos que hemos desarrollado brindan una base estable sobre la cual apoyarse al desarrollar aplicaciones industriales. Seríaha sido imposible determinar esta base mediante experimentos ", dice Björn Alling.
El método que han desarrollado da resultados de alta precisión, y esto significa que los cálculos son muy exigentes.
En materiales sólidos, los átomos están dispuestos en una estructura cristalina bien organizada, a distancias definidas entre sí. A medida que el material se calienta, los átomos comienzan a vibrar.
Cada átomo en un material magnético contiene lo que se puede considerar como una pequeña aguja de brújula, un dipolo con un extremo positivo y negativo. En los materiales magnéticos clásicos, como el hierro, todas las agujas apuntan en la misma dirección, lo que dael material tiene sus propiedades magnéticas típicas. Sin embargo, a medida que el material se calienta, las agujas de la brújula comienzan a girar de manera impredecible.
Hay métodos disponibles para calcular y simular las vibraciones y rotaciones con alta precisión por separado, pero predicen que la capacidad de conducir calor disminuirá gradualmente. Esto no es lo que sucede con el nitruro de cromo.
"Hemos desarrollado un método en el que describimos cómo cambian las vibraciones atómicas en una escala de tiempo de femtosegundos, calculando las fuerzas en los átomos usando métodos de mecánica cuántica. A esto agregamos cálculos de dinámica de espín: cuánto es el magnetismo en elel átomo gira en un femtosegundo. Luego volvemos a calcular este cálculo en el modelo dinámico de cómo vibran los átomos ", explica Björn Alling.
El método fue exitoso.
"El nitruro de cromo es notable por su baja conducción de calor a temperaturas ligeramente elevadas. Ahora hemos podido mostrar por qué, y nuestras simulaciones predicen el comportamiento con precisión. Nadie ha logrado hacer esto anteriormente".
El cálculo y la simulación de lo que sucede en el material durante 30 picosegundos requiere más de un mes de tiempo de procesador para los recursos disponibles para los investigadores en el Centro Nacional de Supercomputadoras en LiU y en Düsseldorf
"Hemos podido combinar una comprensión profunda de los fenómenos físicos y cuánticos fundamentales, y hemos tenido acceso a suficiente potencia de la computadora. Pasará algún tiempo antes de que el método sea ampliamente utilizado en la ciencia, ya que los cálculos son tan precisosy exigente, pero debemos usar este método para progresar ", dice Björn Alling.
El siguiente paso será aplicar el método al hierro y sus aleaciones. Este es uno de los materiales más antiguos utilizados a lo largo de la historia humana, pero aún no tenemos un conocimiento profundo de él.
"Esta es una investigación teórica con enormes aplicaciones prácticas, no menos importante en la industria del acero", dice Björn Alling.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Linköping . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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