¿Por qué algunas aleaciones no se expanden cuando se calientan?

Aug 18, 2023

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Un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) ha descubierto la razón por la que algunas aleaciones metálicas no se expanden cuando se calientan. A temperaturas más altas, las propiedades magnéticas intrínsecas de las llamadas aleaciones Invar pueden provocar una contracción suficiente para anular cualquier expansión térmica esperada. Los resultados de la investigación se publican en la revista Nature Physics.

La expansión térmica ocurre cuando un material absorbe calor, lo que hace que sus átomos vibren con más fuerza y ​​se alejen de sus vecinos. Como resultado, el material se vuelve menos denso y aumentará ligeramente de tamaño.

Estos movimientos a escala atómica pueden no parecer mucho, pero suman: la Torre Eiffel puede expandirse hasta 15 centímetros durante los días más calurosos de París.

Si bien esto es un dato divertido sobre una atracción turística, la expansión térmica puede significar un desastre cuando se requiere metal para aplicaciones de alta precisión. Nadie quiere que un telescopio o un reloj de pulsera finamente calibrados se hinchen y dejen de funcionar.

"Es casi inaudito encontrar metales que no se expandan", dice Stefan Lohaus, estudiante de posgrado en ciencia de materiales y autor principal del nuevo artículo. "Pero en 1895, un físico descubrió por casualidad que si se combinan hierro y níquel, cada uno de los cuales tiene una expansión térmica positiva, en una cierta proporción, se obtiene este material con un comportamiento muy inusual".

Esta aleación de níquel-hierro se conoce como Invar, nombre que deriva de la palabra invariable, en referencia a su resistencia al cambio.

Históricamente, los investigadores han sospechado que esta inusual resistencia a la expansión térmica podría tener algo que ver con las propiedades magnéticas del metal, ya que sólo se ha observado que las aleaciones ferromagnéticas (capaces de ser magnetizadas) actúan como Invars.

"Decidimos analizar esto porque tenemos una configuración experimental muy interesante que puede medir tanto el magnetismo como las vibraciones atómicas", dice Lohaus. "Era un sistema perfecto para esto".

Utilizando un sincrotrón en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores tomaron medidas de los espectros vibratorios y el magnetismo de pequeñas muestras de Invar.

Las piezas de Invar se mantuvieron bajo presión en una celda de yunque de diamante, una configuración en la que dos puntas de diamante rectificadas con precisión se intercalan y aprietan firmemente la muestra. Aquí, la aleación Invar se comprimió a una presión de 200.000 atmósferas antes de que se lanzaran rayos de potentes rayos X a la aleación, donde interactúan con las vibraciones de los átomos de la muestra. Al medir los cambios en la cantidad de energía transportada por los rayos X, los científicos pueden inferir cuánto vibran los átomos de la muestra.

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Los investigadores también colocaron sensores alrededor de las células del yunque de diamante que son capaces de detectar patrones de interferencia creados por el estado de espín de los electrones en la muestra. Esto es crucial, ya que las propiedades magnéticas de un material ferromagnético son causadas por el estado de espín de sus electrones, que puede considerarse como una especie de medida cuántica del momento angular, y normalmente se habla de espines "arriba" o "abajo". En un metal ferromagnético, estos espines se alinearán en paralelo entre sí para formar "dominios" magnéticos con la misma dirección de espín.

Con esta configuración, los investigadores examinaron el estado de espín de los electrones en una muestra de Invar, así como sus vibraciones atómicas, mientras aumentaban la temperatura de la muestra.

A temperaturas frías, más electrones del Invar compartían el mismo estado de espín, lo que hacía que los electrones se separaran más. Esto separa aún más a sus átomos originales, permitiendo así la expansión térmica.

Pero a medida que aumentaban las temperaturas, el estado de espín de los electrones cambiaba cada vez más. Al mismo tiempo, la energía térmica hacía que los átomos vibraran más y ocuparan más espacio. Estas dos fuerzas opuestas (la contracción debida a los cambios en los estados de espín y la expansión de la vibración atómica) se cancelaron efectivamente entre sí dentro de la aleación Invar, lo que no produjo un aumento neto del tamaño cuando se aplicó calor.

"Esto es emocionante porque ha sido un problema científico durante más de cien años", dice Lohaus. "Hay literalmente miles de publicaciones que intentan mostrar cómo el magnetismo causa la contracción, pero no había una explicación holística del efecto Invar".

Referencia: Lohaus SH, Heine M, Guzman P, et al. Una explicación termodinámica del efecto Invar. Física Nacional. 2023. doi: 10.1038/s41567-023-02142-z

Este artículo es una reelaboración de un comunicado de prensa emitido por el Instituto de Tecnología de California. El material ha sido editado en cuanto a extensión y contenido.