La expansión térmica negativa ( NTE ) es un proceso fisicoquímico inusual en el que algunos materiales se contraen al calentarse, en lugar de expandirse como lo hacen la mayoría de los demás materiales. El material más conocido con NTE es el agua entre 0 y 3,98 °C. Además, la densidad del agua sólida (hielo) es menor que la densidad del agua líquida a presión estándar. El NTE del agua es la razón por la cual el hielo de agua flota, en lugar de hundirse, en agua líquida. Los materiales sometidos a NTE tienen una gama potencial de aplicaciones de ingeniería , fotónicas , electrónicas y estructurales . Por ejemplo, si se mezclara un material de expansión térmica negativa con un material "normal" que se expande al calentarse, podría ser posible usarlo como un compensador de expansión térmica que podría permitir formar compuestos con temperaturas térmicas adaptadas o incluso cercanas a cero. expansión.
Hay una serie de procesos físicos que pueden causar contracción al aumentar la temperatura, incluidos los modos de vibración transversal, los modos de unidad rígida y las transiciones de fase .
En 2011, Liu et al. [1] demostró que el fenómeno NTE se origina por la existencia de configuraciones de alta presión, pequeño volumen y mayor entropía, con sus configuraciones presentes en la matriz de fase estable a través de fluctuaciones térmicas. Pudieron predecir tanto la colosal expansión térmica positiva (en cerio) como la expansión térmica negativa cero e infinita (en Fe
3pt ). [2]
Alternativamente, una gran expansión térmica negativa y positiva puede resultar del diseño de la microestructura interna. [3]
La expansión térmica negativa generalmente se observa en sistemas no compactos con interacciones direccionales (p. ej., hielo , grafeno , etc.) y compuestos complejos (p. ej., Cu
2O , ZrW
2oh
8, beta-cuarzo, algunas zeolitas, etc.). Sin embargo, en un artículo [4] se demostró que la expansión térmica negativa (NTE) también se produce en redes compactas de un solo componente con pares de interacciones de fuerzas centrales. Se propone la siguiente condición suficiente para que el potencial dé lugar al comportamiento NTE para el potencial interatómico , , a la distancia de equilibrio :
Esta condición es (i) necesaria y suficiente en 1D y (ii) suficiente, pero no necesaria en 2D y 3D. Una condición aproximada necesaria y suficiente se deriva en un artículo [5]
Quizás uno de los materiales más estudiados que exhibe expansión térmica negativa es el tungstato de circonio ( ZrW
2oh
8). Este compuesto se contrae continuamente en un rango de temperatura de 0,3 a 1050 K (a temperaturas más altas el material se descompone). [6] Otros materiales que exhiben comportamiento NTE incluyen otros miembros de AM
2oh
8familia de materiales (donde A = Zr o Hf , M = Mo o W ) y HfV
2oh
7y ZrV
2oh
7, aunque HfV
2oh
7y ZrV
2oh
7sólo en su fase de alta temperatura a partir de 350 a 400 K. [7] Un
2( MO
4)
3También es un ejemplo de expansión térmica negativa controlable. Materiales cúbicos como ZrW
2oh
8y también HfV
2oh
7y ZrV
2oh
7son especialmente valiosos para aplicaciones en ingeniería porque exhiben NTE isotrópico , es decir, el NTE es el mismo en las tres dimensiones , lo que facilita su aplicación como compensadores de expansión térmica. [8]
El hielo ordinario muestra NTE en sus fases hexagonal y cúbica a temperaturas muy bajas (por debajo de –200 °C). [9] En su forma líquida, el agua pura también muestra una expansividad térmica negativa por debajo de 3,984 °C.
ALLVAR Alloy 30, una aleación a base de titanio, muestra NTE en un amplio rango de temperaturas, con un coeficiente instantáneo de expansión térmica de -30 ppm/°C a 20 °C. [10] La expansión térmica negativa de ALLVAR Alloy 30 es anisotrópica. Este material disponible comercialmente se utiliza en las industrias óptica, aeroespacial y criogénica en forma de espaciadores ópticos que evitan el desenfoque térmico, puntales ultraestables y arandelas para uniones atornilladas térmicamente estables. [11]
Las fibras de carbono muestran NTE entre 20°C y 500°C. [12] Esta propiedad se utiliza en aplicaciones aeroespaciales de tolerancia estricta para adaptar el CTE de componentes de plástico reforzado con fibra de carbono para aplicaciones/condiciones específicas, ajustando la proporción de fibra de carbono a plástico y ajustando la orientación de las fibras de carbono dentro de la pieza. .
Cuarzo ( SiO
2) y varias zeolitas también muestran NTE en ciertos rangos de temperatura. [13] [14] El silicio (Si) bastante puro tiene un coeficiente de expansión térmica negativo para temperaturas entre aproximadamente 18 K y 120 K. [15] El trifluoruro de escandio
cúbico tiene esta propiedad que se explica por la oscilación cuártica de los iones fluoruro. La energía almacenada en la tensión de flexión del ion fluoruro es proporcional a la cuarta potencia del ángulo de desplazamiento, a diferencia de la mayoría de los otros materiales donde es proporcional al cuadrado del desplazamiento. Un átomo de flúor está unido a dos átomos de escandio y, a medida que aumenta la temperatura, el flúor oscila más perpendicularmente a sus enlaces. Esto junta los átomos de escandio en todo el material y éste se contrae. [16] Fc
3exhibe esta propiedad de 10 a 1100 K por encima del cual muestra la expansión térmica positiva normal. [17] Las aleaciones con memoria de forma, como el NiTi, son una clase incipiente de materiales que exhiben una expansión térmica nula y negativa. [18] [19]
Formar un compuesto de un material con expansión térmica positiva (ordinaria) con un material con expansión térmica negativa (anómala) podría permitir adaptar la expansión térmica de los compuestos o incluso tener compuestos con una expansión térmica cercana a cero. De este modo, la expansión térmica negativa y positiva se compensan entre sí hasta una cierta cantidad si se cambia la temperatura . Se puede lograr adaptar el coeficiente de expansión térmica general (CTE) a un cierto valor variando las fracciones de volumen de los diferentes materiales que contribuyen a la expansión térmica del compuesto. [8] [20]
Especialmente en ingeniería existe la necesidad de tener materiales con un CTE cercano a cero, es decir, con un rendimiento constante en un amplio rango de temperaturas, por ejemplo para aplicaciones en instrumentos de precisión. Pero también en la vida cotidiana se necesitan materiales con un CET cercano a cero. Las estufas de vitrocerámica como las estufas Ceran deben soportar grandes gradientes de temperatura y cambios rápidos de temperatura mientras cocinan porque solo ciertas partes de las estufas se calentarán mientras que otras partes permanecen cerca de la temperatura ambiente . En general, debido a su fragilidad, los gradientes de temperatura en el vidrio pueden provocar grietas. Sin embargo, la vitrocerámica utilizada en las placas de cocción consta de múltiples fases diferentes, algunas con expansión térmica positiva y otras con expansión térmica negativa. La expansión de las diferentes fases se compensa entre sí de modo que no hay mucho cambio de volumen de la vitrocerámica con la temperatura y se evita la formación de grietas.
Un ejemplo cotidiano de la necesidad de materiales con expansión térmica adaptada son los empastes dentales . Si los empastes tienden a expandirse en una cantidad diferente a la de los dientes , por ejemplo al beber una bebida fría o caliente, podría provocar dolor de muelas . Sin embargo, si los empastes dentales están hechos de un material compuesto que contiene una mezcla de materiales con expansión térmica positiva y negativa, entonces la expansión total podría adaptarse exactamente a la del esmalte dental .
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