p Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, têm novas evidências experimentais e uma teoria preditiva que resolve um antigo mistério da ciência dos materiais:por que certos materiais cristalinos encolhem quando aquecidos. Trabalho deles, acabado de publicar em Avanços da Ciência , poderia ter ampla aplicação para combinar propriedades de materiais com aplicações específicas na medicina, eletrônicos, e outros campos, e pode até fornecer novos insights sobre supercondutores não convencionais (materiais que transportam corrente elétrica sem perda de energia). p A evidência vem de medições precisas das distâncias entre os átomos em cristais de fluoreto de escândio (ScF ₃ ), um material conhecido por sua contração incomum sob temperaturas elevadas (também conhecido como "expansão térmica negativa"). O que os cientistas descobriram é um novo tipo de movimento vibracional que faz com que os lados desses em forma de cubo, cristais aparentemente sólidos se dobram quando aquecidos, assim, aproximando os cantos.

p "Normalmente quando algo esquenta, se expande, "disse o físico de Brookhaven Igor Zaliznyak, quem liderou o projeto. "Quando você aquece algo, as vibrações atômicas aumentam em magnitude, e o tamanho total do material aumenta para acomodar as vibrações maiores. "

p Esse relacionamento, Contudo, não se aplica a certos materiais flexíveis, incluindo polímeros em forma de cadeia, como plásticos e borracha. Nesses materiais, o aumento do calor aumenta as vibrações apenas perpendiculares ao comprimento das correntes (imagine as vibrações laterais de uma corda de violão dedilhada). Essas vibrações transversais aproximam as pontas das correntes, resultando no encolhimento geral.

p Mas e quanto ao fluoreto de escândio? Com um sólido, estrutura cristalina cúbica, não se parece em nada com um polímero - pelo menos à primeira vista. Além disso, uma suposição generalizada de que os átomos em um cristal sólido devem manter suas orientações relativas, não importa o tamanho do cristal, deixaram os físicos confusos ao explicar como esse material encolhe quando aquecido.

p Nêutrons e um aluno dedicado ao resgate

p Um grupo do California Institute of Technology (Caltech) estava usando um método para explorar este mistério na Spallation Neutron Source (SNS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Oak Ridge National Laboratory. Medindo como feixes de nêutrons, um tipo de partícula subatômica, espalhar os átomos em um cristal pode fornecer informações valiosas sobre seu arranjo em escala atômica. É particularmente útil para materiais leves como o flúor que são invisíveis aos raios-x, Zaliznyak disse.

p Ouvindo sobre este trabalho, Zaliznyak observou que seu colega, Emil Bozin, um especialista em uma técnica de análise de espalhamento de nêutrons diferente, provavelmente poderia avançar a compreensão do problema. Método de Bozin, conhecido como "função de distribuição de pares, "descreve a probabilidade de encontrar dois átomos separados por uma certa distância em um material. Os algoritmos computacionais então classificam as probabilidades para encontrar o modelo estrutural que melhor se ajusta aos dados.

p Zaliznyak e Bozin se juntaram à equipe do Caltech para coletar dados no SNS usando o ScF do Caltech ₃ amostras para rastrear como as distâncias entre os átomos vizinhos mudaram com o aumento da temperatura.

p David Wendt, um aluno que iniciou um estágio no Programa de Pesquisa do Brookhaven Lab High School no laboratório de Zaliznyak após seu segundo ano no ensino médio (agora um calouro na Universidade de Stanford), lidou com grande parte da análise de dados. Ele continuou trabalhando no projeto durante seus dias de colégio, ganhando a posição de primeiro autor no artigo.

p "David basicamente reduziu os dados à forma que poderíamos analisar usando nossos algoritmos, ajustou os dados, compôs um modelo para modelar as posições dos átomos de flúor, e fez a análise estatística para comparar nossos resultados experimentais com o modelo. A quantidade de trabalho que ele fez é semelhante ao que um bom pós-doutorado faria! ", Disse Zaliznyak.

p "Estou muito grato pela oportunidade que o Brookhaven Lab me deu de contribuir com pesquisas originais por meio de seu Programa de Pesquisa do Ensino Médio, "Wendt disse.

p Resultados:movimento "suave" em um sólido

p As medições mostraram que as ligações entre escândio e flúor não mudam realmente com o aquecimento. "Na verdade, eles se expandem ligeiramente, "Zaliznyak disse, "o que é consistente com o motivo pelo qual a maioria dos sólidos se expande."

p Mas as distâncias entre os átomos de flúor adjacentes tornaram-se altamente variáveis ​​com o aumento da temperatura.

p "Estávamos procurando evidências de que os átomos de flúor estavam em uma configuração fixa, como sempre foi assumido, e descobrimos exatamente o oposto! ", disse Zaliznyak.

p Alexei Tkachenko, um especialista na teoria da matéria condensada mole do Centro de Nanomateriais Funcionais do Brookhaven Lab (outra instalação de usuário do Office of Science) fez contribuições essenciais para a explicação desses dados inesperados.

p Uma vez que os átomos de flúor pareciam não estar confinados a posições rígidas, a explicação poderia basear-se em uma teoria muito mais antiga originalmente desenvolvida por Albert Einstein para explicar os movimentos atômicos considerando cada átomo individual separadamente. E surpreendentemente, a explicação final mostra que o encolhimento induzido pelo calor em ScF ₃ tem uma semelhança notável com o comportamento dos polímeros de matéria mole.

p "Uma vez que cada átomo de escândio tem uma ligação rígida com o flúor, as 'cadeias' de fluoreto de escândio que formam as laterais dos cubos cristalinos (com escândio nos cantos) agem de forma semelhante às partes rígidas de um polímero, "Zaliznyak explicou. Os átomos de flúor no centro de cada lado do cubo, Contudo, não são restringidos por quaisquer outros laços. Então, conforme a temperatura aumenta, os átomos de flúor "sub-restringidos" estão livres para oscilar independentemente nas direções perpendiculares às ligações rígidas Sc-F. Essas oscilações térmicas transversais aproximam os átomos de Sc nos cantos da rede cúbica, resultando em encolhimento semelhante ao observado em polímeros.

p Correspondência térmica para aplicações

p Este novo entendimento irá melhorar a capacidade dos cientistas de prever ou projetar estrategicamente a resposta térmica de um material para aplicações onde mudanças de temperatura são esperadas. Por exemplo, os materiais usados ​​na usinagem de precisão devem, idealmente, apresentar poucas mudanças em resposta ao aquecimento e resfriamento para manter a mesma precisão em todas as condições. Materiais usados ​​em aplicações médicas, como obturações dentárias ou substituições ósseas, deve ter propriedades de expansão térmica que se assemelham às das estruturas biológicas nas quais estão inseridos (pense em como seria doloroso se sua obturação expandisse enquanto seu dente se contraísse ao beber café quente!). E em semicondutores ou linhas de transmissão de fibra óptica submarinas, a expansão térmica dos materiais isolantes deve corresponder à dos materiais funcionais para evitar impedir a transmissão do sinal.

p Zaliznyak observa que uma arquitetura de estrutura aberta sem restrições como a do ScF ₃ também está presente em supercondutores à base de óxido de cobre e ferro - onde se acredita que as vibrações da rede de cristal desempenham um papel na capacidade desses materiais de transportar corrente elétrica sem resistência.

p "A oscilação independente de átomos nessas estruturas de estrutura aberta pode contribuir para as propriedades desses materiais de maneiras que agora podemos calcular e entender, "Zaliznyak disse." Eles podem realmente explicar algumas de nossas próprias observações experimentais que ainda permanecem um mistério nesses supercondutores, " ele adicionou.

p "Este trabalho se beneficiou profundamente das vantagens importantes dos laboratórios nacionais do DOE - incluindo instalações exclusivas do DOE e nossa capacidade de ter projetos de longo prazo onde contribuições importantes se acumulam ao longo do tempo para culminar em uma descoberta, "Zaliznyak disse." Representa a confluência única de diferentes conhecimentos entre os co-autores, incluindo um estagiário de estudante de ensino médio dedicado, que pudemos integrar sinergicamente para este projeto. Não teria sido possível realizar esta pesquisa com sucesso sem a experiência fornecida por todos os membros da equipe. "