Metales sin dilatación por el calor

Unos científicos han conseguido crear una aleación de varios metales que prácticamente no experimenta expansión térmica a lo largo de un amplio rango de temperaturas. Un metal así puede tener muchas e importantes aplicaciones.

La mayoría de los metales se dilatan cuando aumenta su temperatura. La Torre Eiffel, por ejemplo, es entre 10 y 15 centímetros más alta en verano que en invierno debido a su dilatación térmica. Este efecto resulta muy perjudicial para muchas aplicaciones técnicas. Por eso se buscan desde hace tiempo metales que tengan siempre la misma longitud independientemente de la temperatura. El invar, por ejemplo, es una aleación de hierro y níquel conocida por su bajísima dilatación térmica. Sin embargo, hasta ahora no estaba del todo claro cómo se logra físicamente esta propiedad.

Ahora, un equipo integrado, entre otros, por Sergii Khmelevskyi, de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria, y Yanming Sun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín en China, ha descubierto cómo exactamente se alcanza esa asombrosa estabilidad ante el calor. Y a raíz de este hallazgo, ha conseguido desarrollar una aleación cuya resistencia a la expansión térmica es aún mayor que la del invar. En un rango de temperaturas extremadamente amplio, de más de 400 grados centígrados, su longitud solo varía en torno a una diezmilésima de un uno por ciento por grado.

“Cuanto mayor es la temperatura de un material, más tienden a moverse sus átomos, y cuando los átomos se mueven más, necesitan más espacio. La distancia media entre ellos aumenta. Este efecto es la base de la dilatación térmica y no puede evitarse. Pero es posible fabricar materiales en los que se contrarreste el aumento en casi la misma medida exacta mediante otro efecto compensador.

Khmelevskyi, Sun y sus colegas se valieron de complejas simulaciones por ordenador para profundizar en la razón por la que el invar apenas se dilata. Y han determinado que el efecto se debe a que ciertos electrones cambian de estado al aumentar la temperatura. El orden magnético del material disminuye, lo que provoca su contracción. Este efecto anula casi en la misma proporción exacta la expansión térmica habitual.

Normalmente, los metales se dilatan cuando se calientan. (Imagen: TU Wien)

Ya se sabía que el orden magnético del material es el responsable del efecto invar. Pero solo con las nuevas simulaciones por ordenador ha sido posible comprender los detalles de este proceso con tanta precisión como para poder hacer predicciones para otros materiales.

A partir de esto, el equipo diseñó y elaboró una aleación de circonio, niobio, hierro y cobalto. Esta aleación tiene un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo, y en un extenso rango de temperaturas, algo sin precedentes.

Khmelevskyi, Sun y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica National Science Review, bajo el título “Local chemical heterogeneity enabled superior zero thermal expansion in nonstoichiometric pyrochlore magnets”. (Fuente: NCYT de Amazings)