La Lega di Superman: metallo non si espande né contrae con escursioni di 400 gradi K

Un effetto noto è che gli oggetti metallici si espandono quando sottoposti a calore. Ponti, strade e persino la Torre Eiffel diventano un po’ più alti in estate.

L’altezza della Torre Eiffel cambia di 10-15 centimetri tra estate e inverno a causa dell’espansione termica. È più alta in estate, quando il metallo è più caldo e si espande.

Tuttavia, questa espansione può essere un vero problema per molte tecnologie come gli strumenti di precisione o i veicoli spaziali. Ecco perché gli scienziati sono alla ricerca di un materiale che mantenga una dimensione costante indipendentemente dalle variazioni di temperatura.

Un potenziale candidato è l’Invar, una lega di ferro e nichel famosa per la sua espansione termica incredibilmente bassa. Ma la scienza che sta dietro alla magia dell’Invar è rimasta un mistero, fino ad oggi.

Lingotti di Invar

I ricercatori della TU Wien di Vienna hanno collaborato con gli sperimentatori dell’Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino per svelare il segreto dell’Invar utilizzando simulazioni al computer.

È interessante notare che questa nuova comprensione ha portato allo sviluppo di una nuova lega forte, come una specie di superman dei metalli, chiamata magnete pirocloro.

“Più alta è la temperatura di un materiale, più gli atomi tendono a muoversi e quando gli atomi si muovono di più, hanno bisogno di più spazio. La distanza media tra di loro aumenta”, ha spiegato Sergii Khmelevskyi del Centro di ricerca del Vienna Scientific Cluster (VSC) della TU Wien.

“Questo effetto è alla base dell’espansione termica e non può essere evitato. Ma è possibile produrre materiali in cui questo effetto è quasi esattamente bilanciato da un altro effetto di compensazione”, ha aggiunto Khmelevskyi.

La minore espansione termica del magnete pirocloro

La ricerca è iniziata con un’indagine sull’insolita proprietà dell’Invar di bassa espansione termica. Hanno scoperto che le sue proprietà magnetiche sono la chiave della sua stabilità.

“L’effetto è dovuto al fatto che alcuni elettroni cambiano stato all’aumentare della temperatura. L’ordine magnetico nel materiale diminuisce, causando la contrazione del materiale. Questo effetto annulla quasi esattamente la normale espansione termica”, ha dichiarato Khmelevskyi.

Effetto magnetico e termico sui metalli

Questo nuovo quadro teorico basato sulle simulazioni ha permesso agli scienziati di prevedere e progettare materiali che non presentano quasi alcun cambiamento di dimensioni con la temperatura.

Grazie a questa nuova comprensione, il team ha cercato di creare un materiale ancora migliore. E ci sono riusciti.
I ricercatori hanno sviluppato una nuova lega, il magnete pirocloro, che presenta un’espansione termica ancora minore rispetto all’Invar.

Il magnete pirocloro presenta dimensioni incredibilmente stabili in un ampio intervallo di temperature, oltre 400 Kelvin (126,8 gradi Celsius). È interessante notare che cambia solo di “un decimillesimo di uno per cento per Kelvin”.

Composto da quattro metalli

L’Invar è composto da due metalli, ma il magnete pirocloro è composto da quattro: zirconio, niobio, ferro e cobalto. Questa composizione più complessa gli conferisce una capacità di resistenza all’espansione termica senza precedenti.

“Si tratta di un materiale con un coefficiente di espansione termica estremamente basso in un intervallo di temperature senza precedenti”, ha dichiarato Yili Cao dell’Istituto di Chimica dello Stato Solido dell’Università di Scienza e Tecnologia di Pechino, in un comunicato stampa.

L’eccezionale stabilità termica di questa nuova lega è dovuta alla sua struttura irregolare ed eterogenea.

La sua composizione varia da un capo all’altro, con concentrazioni diverse di elementi come il cobalto. Ciò influenza il modo in cui le diverse regioni del materiale rispondono alle variazioni di temperatura. Inoltre, bilancia le proprietà del materiale in ogni punto per ottenere un’espansione termica complessiva prossima allo zero.

Questo nuovo materiale è ideale per le applicazioni che devono affrontare variazioni di temperatura estreme o che richiedono un’elevata precisione. Potrebbe essere utilizzato nell’aviazione, nell’aerospaziale e nell’elettronica avanzata.