Aquest extraordinari material es manté estable de -269 a 1.126 °C

Investigadors australians han sintetitzat un material amb la màxima estabilitat tèrmica de la història. Un descobriment que podria trobar aplicacions en coets espacials, motors d'avions o implants mèdics, entre d'altres.

Científics australians acaben de crear el material tèrmicament més estable mai descobert. Format per escandi, alumini, tungstè i oxigen, el seu volum es manté gairebé idèntic de 4 a 1.400 graus Kelvin (-269 a +1.126 °C), una amplitud de gairebé 1.400 °C.

La gran majoria dels materials augmenten de volum amb la calor, a causa de l’agitació tèrmica dels àtoms. Penseu, per exemple, en el líquid que puja en un termòmetre. Així, cada material té un coeficient d’expansió tèrmica, calculat en Kelvins. Una peça d'alumini d'1 cm³ , per exemple, "s'inflarà" 0,075 mm³  per a un augment de 100 °C, mentre que 1 cm³ d'aigua prendrà 0,21 cm³ quan s'escalfi a 100 °C (la expansió tèrmica a causa de l’escalfament global també és la principal causa de l’augment dels oceans).

Coets que han de suportar variacions extremes de temperatura

Tot això és molt problemàtic en determinades aplicacions on els materials estan sotmesos a variacions de temperatura molt fortes. Els coets estan exposats, per exemple, a un fred intens a l’espai i a un escalfament extrem durant l’enlairament i l’aterratge. De la mateixa manera, es va saber que l'avió espia Lockheed SR-71 Blackbird va ruixar abundantment la pista amb combustible a la terra, ja que els tancs de combustible no estaven perfectament segellats fins que es van escalfar durant el vol. També es poden esmentar implants mèdics que, fins i tot sotmesos a amplituds tèrmiques més baixes, no han de variar absolutament de volum. En general, l’estrès tèrmic eventualment danya els materials i pot causar molts problemes.

Per això, des de fa diversos anys, els científics han estat buscant "materials d'expansió tèrmica zero" (expansió tèrmica zero, ZTE), a on el volum no varia amb la temperatura. Zerodur, un compost ceràmic que té un coeficient d’expansió gairebé nul en un rang tèrmic entre 20 i 320°C, s’utilitza per exemple en miralls de telescopis com els del VLT a Xile.

Clic per engrandir. L'augment de la temperatura indueix una reordenació dels enllaços
moleculars dins de Sc_1,5 A_l0,5W₃O₁₂, però que no afecta el volum global. © Chem. Mater., 2021

Un coeficient d’expansió tèrmica extraordinàriament baix

Tot i així, va ser per casualitat que l'equip de Neeraj Sharma de la Universitat de Nova Gal·les del Sud va descobrir el seu nou material ZTE, descrit a la revista Chemistry of Materials. "Vam dur a terme experiments per a investigacions basades en bateries i ens va sorprendre veure la propietat tèrmica d'aquesta composició en particular", diu l'investigador. El material, de fórmula exacta Sc_1,5A_l0,5W₃O₁₂, té un coeficient d’expansió tèrmica de αv = −6×10^-8K^-1. Això vol dir que una peça de 1 cm³ disminuirà el volum només 0,003 mm³ per a un augment de temperatura de 100°C!. Aquest coeficient extraordinàriament baix es podria mesurar amb molta precisió mitjançant el difractòmetre de pols de la Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), que permet detectar desviacions molt petites.

Reordenació òptima dels enllaços atòmics

Però, com explicar aquesta increïble estabilitat tèrmica?. "Les longituds d'enllaç, els angles i la posició dels àtoms d'oxigen canvien de forma conjunta per preservar el volum global", suggereix Neeraj Sharma. En altres paraules, la variació de temperatura genera canvis a nivell molecular però que no afecta la mida de la mostra global. El paper d'altres compostos és menys clar i requerirà més investigacions.

"El Sc_1,5A_l0,5W₃O₁₂ es pot sintetitzar fàcilment a gran escala", diu Neeraj Sharma. "I els seus components com l’òxid de tungstè i l’alúmina són relativament econòmics. Per tant, es podria fabricar a gran escala i a un cost inferior”.

 

Ho he vist aquí.