Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio sintetizaram recentemente um novo material que exibe propriedades únicas de expansão térmica. O método usado pelos cientistas permite a produção de um óxido cristalino único contendo zircônio, enxofre, e fósforo, que exibe dois mecanismos distintos de expansão térmica negativa. Este é o primeiro material conhecido a apresentar essa propriedade e sua aplicação pode ajudar a evitar danos aos materiais compósitos, como componentes de chip de computador, enfrentando mudanças inesperadas de temperatura.

A maioria dos materiais tende a se expandir quando aquecido, à medida que os átomos se separam. A expansibilidade dos materiais sob calor é medida usando o coeficiente de expansão térmica (CTE). A maioria dos materiais atuais de classe da indústria tem um CTE positivo, fazendo com que tenham um mau desempenho quando submetidos a temperaturas mais "extremas". Contudo, alguns materiais experimentam o efeito oposto, encolhendo em altas temperaturas. Este processo incomum, conhecido como expansão térmica negativa, pode ajudar a resolver o problema de danos causados ​​pelo calor aos materiais compostos.

Uma equipe de cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio, liderada pelo Associado Prof. Toshihiro Isobe, tem pesquisado materiais com CTE negativo. Como o Dr. Isobe explica, "O comportamento de expansão térmica negativa pode ser atribuído principalmente a dois tipos de mecanismos, transição de fase e mecanismo do tipo estrutura. "Ambos os mecanismos encontraram aplicação industrial, pois ambos têm prós e contras. Os materiais do tipo de transição de fase têm grandes CTEs negativos, mas estreitas faixas de temperatura utilizáveis, que limita seu uso operacional, particularmente como cargas em materiais compósitos. Materiais do tipo estrutura, por outro lado, mostram retração térmica em uma ampla faixa de temperatura, mas porque eles têm pequenos valores CTE absolutos, eles são necessários em grandes quantidades para atingir o resultado desejado. Por anos, os cientistas têm procurado um compromisso adequado entre os dois, mas materiais capazes de sofrer ambos os mecanismos de expansão térmica negativa nunca foram relatados, até agora.

Em seu novo estudo, publicado em NPG Asia Materials , Dr. Isobe e sua equipe relatam um método para sintetizar um novo óxido cristalino feito de zircônio, enxofre, e fósforo, e descrever suas características. Este cristal, a fórmula química para a qual é Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ , é descrito pelo Dr. Isobe como "um material CTE negativo que exibe mecanismos de transição e de estrutura quando aquecido."

Os cientistas descobriram que, enquanto Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ exibe ambos os mecanismos de mecanismo térmico negativo mencionados anteriormente, um pode ser dominante em uma determinada temperatura. Por exemplo, entre 393 K (cerca de 120 ° C) e 453 K (cerca de 180 ° C), o material encolheu rapidamente e algumas das unidades estruturais foram deformadas, que indica uma transição de fase. Contudo, acima e abaixo desta faixa de temperatura, a contração não foi tão pronunciada, e os pesquisadores, em vez disso, observaram pequenas mudanças no comprimento e ângulo das ligações entre os átomos, uma característica do mecanismo do tipo estrutura.

Os pesquisadores também observaram um fenômeno interessante. Eles descobriram que os cristais contendo menos átomos de enxofre na rede eram mais facilmente deformados durante a transição de fase (120-180 ° C), resultando em uma maior contração do material (maior CTE negativo). Isso pode ajudar na produção de Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ cristais com o CTE desejado para aplicações específicas.

Este novo material cristalino e o mecanismo de sua produção podem abrir caminho para a síntese de compostos com um mecanismo duplo semelhante. Por aqui, os engenheiros de materiais seriam capazes de selecionar compostos com propriedades específicas para adaptar o desempenho dos materiais manufaturados às condições operacionais específicas.