Metais que não se expandem com o calor? Agora sabemos como projetá-los

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/02/2025

Normalmente, os metais se expandem quando são aquecidos. Mas agora sabemos projetar materiais "invar", cujas dimensões são "invariáveis" com a temperatura.
[Imagem: TU Wien]

O que é invar?

A larga maioria dos metais se expande conforme sua temperatura aumenta. Por exemplo, a Torre Eiffel fica cerca de 10 a 15 centímetros mais alta no verão do que no inverno devido à sua expansão térmica.

É claro que esse efeito é extremamente indesejável para muitas aplicações técnicas, o que tem levado a uma busca incessante por materiais que sempre tenham o mesmo comprimento, independentemente da temperatura - materiais com um coeficiente de expansão térmica que tenda a zero.

Já descobrimos ligas metálicas especiais assim, como as chamadas invar, cujas dimensões não variam significativamente em função da temperatura - são ligas de baixa expansão termal -, que são fabricadas sobretudo a partir de ferro e níquel.

Só havia um problema: Ninguém havia conseguido explicar essa propriedade de um modo aceitável pela física, o que tem impedido os avanços na área, sobretudo por não sabermos como partir dos primeiros princípios para chegar à descoberta ou síntese de outros materiais similares.

Agora, uma colaboração entre pesquisadores teóricos da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria, e experimentalistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, na China, levou a um avanço decisivo: Usando complexas simulações computadorizadas, a equipe conseguiu compreender o efeito invar em detalhes.

E a descoberta já produziu o primeiro efeito prático: A equipe usou o novo conhecimento para projetar um "ímã pirocloro", uma liga que apresentou propriedades de expansão térmica ainda melhores do que as ligas invar. Em uma faixa de temperatura extremamente ampla, de mais de 400 Kelvins (126,85 °C), seu comprimento muda apenas 0,0001% por Kelvin.

Descoberta uma liga metálica que não perde a rigidez com o calor.
[Imagem: CityU]

Ordem magnética

Já se sabia que a ordem magnética do invar estaria envolvida em seu peculiar efeito de baixa expansão termal, mas não conhecíamos esse processo com um nível de detalhamento suficiente para que previsões para outros materiais pudessem ser feitas.

A equipe então desenvolveu simulações de computador para analisar o comportamento dos materiais magnéticos em temperaturas finitas no nível atômico.

"Isso nos permitiu entender melhor a razão pela qual o invar dificilmente se expande," disse o professor Segii Khmelevskyi. "O efeito é devido a certos elétrons mudando seu estado conforme a temperatura sobe. A ordem magnética no material diminui, fazendo com que o material se contraia. Esse efeito cancela quase exatamente a expansão térmica usual."

"Quanto maior a temperatura em um material, mais os átomos tendem a se mover - e quando os átomos se movem mais, eles precisam de mais espaço. A distância média entre eles aumenta. Esse efeito é a base da expansão térmica e não pode ser prevenido. Mas é possível produzir materiais nos quais ele é quase exatamente equilibrado pelo outro efeito compensador," acrescentou Khmelevskyi.

Recentemente foi desenvolvida uma técnica para fazer a metalurgia das ligas invar em uma única etapa.
[Imagem: Shaolou Wei et al.- 10.1038/s41586-024-07932-w]

Ímã de pirocloro

Para testar suas previsões na prática, a equipe partiu para criar um ímã pirocloro, ou magneto de pirocloro. Um pirocloro é um composto químico com uma estrutura cristalina cúbica tridimensional, formada por tetraedros interligados - a propósito, o mineral brasileiro de onde o nióbio é extraído chama-se pirocloro. Essa estrutura geométrica gera um fenômeno conhecido como frustração geométrica, no qual os momentos magnéticos dos átomos não conseguem se ordenar de forma simples, resultando em estados magnéticos complexos e incomuns, com grande potencial para aplicações tecnológicas inovadoras.

Diferente das ligas invar tradicionais, que consistem apenas de dois metais diferentes, o ímã pirocloro tem quatro componentes: zircônio, nióbio, ferro e cobalto. Mas o resultado foi exatamente o previsto: "É um material com um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo em uma faixa de temperatura sem precedentes," disse Yili Cao, membro da equipe.

Esse comportamento em relação à temperatura tem a ver com o fato de que o ímã de pirocloro não tem uma estrutura de rede atômica perfeita, que sempre se repetiria exatamente da mesma maneira - sua composição não é a mesma em todos os pontos, é heterogênea. Algumas áreas contêm um pouco mais de cobalto, outras um pouco menos. Essas diferentes áreas reagem de modo diferente às mudanças de temperatura. Isso permite que os detalhes da composição do material sejam equilibrados ponto a ponto, de tal forma que a expansão geral da temperatura seja quase exatamente zero.

O principal resultado do trabalho, claro, é a capacidade de projetar novos materiais com coeficiente de expansão termal tendendo a zero, mas o próprio ímã de pirocloro sintetizado pela equipe já desperta o interesse em técnicas de medição precisas ou em aplicações com flutuações extremas de temperatura , como em aviação, setor aeroespacial ou componentes eletrônicos de alta potência.

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