Você sabe como deixar espaço em uma garrafa de água antes de colocá-la no freezer - para acomodar o fato de que a água se expande conforme congela? A maioria das peças de metal em aviões enfrenta o problema oposto mais comum. Em altas altitudes (baixas temperaturas) eles encolhem. Para evitar que tal redução cause grandes desastres, engenheiros fazem aviões de compostos ou ligas, misturar materiais que têm propriedades de expansão opostas para equilibrar um ao outro.

Uma nova pesquisa conduzida em parte no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA pode trazer uma classe totalmente nova de elementos químicos para este ato de equilíbrio da ciência de materiais.

Conforme descrito em um artigo recém-publicado na revista Cartas de revisão física , os cientistas usaram raios-x na National Synchrotron Light Source II de Brookhaven (NSLS-II) - uma instalação do usuário do Departamento de Energia dos EUA - e duas outras fontes de luz síncrotron para explorar um metal incomum que se expande dramaticamente em baixa temperatura. Os experimentos com sulfeto de samário dopado com algumas impurezas revelaram detalhes sobre a estrutura em nível atômico do material e as origens baseadas em elétrons de sua "expansão térmica negativa".

Este trabalho abre caminhos para projetar novos materiais onde o grau de expansão pode ser ajustado com precisão ajustando a receita química. Também sugere alguns materiais relacionados que podem ser explorados para aplicações de mistura de metais.

"Em aplicações práticas, seja um avião ou um dispositivo eletrônico, você deseja fazer ligas de materiais com essas propriedades opostas - coisas que se expandem de um lado e encolhem do outro quando esfriam, então, no total, permanece o mesmo, "explicou Daniel Mazzone, o principal autor do artigo e pós-doutorado no NSLS-II e no Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Laboratório Brookhaven.

Mas os materiais que imitam a expansão da água quando resfriada são poucos e distantes entre si. E embora a expansão da água gelada seja bem compreendida, a dramática expansão do sulfeto de samário nunca foi explicada.

Como outros materiais que Mazzone estudou, este composto à base de samário (especificamente sulfeto de samário com alguns átomos de ítrio tomando o lugar de alguns átomos de samário) é caracterizado por fases eletrônicas concorrentes (um tanto análogo ao sólido, líquido, e fases gasosas da água). Dependendo das condições externas, como temperatura e pressão, elétrons no material podem fazer coisas diferentes. Em alguns casos, o material é um metal dourado através do qual os elétrons podem se mover livremente - um condutor. Em outras condições, é um semicondutor preto, permitindo que apenas alguns elétrons fluam.

O estado metálico dourado é aquele que se expande dramaticamente quando resfriado, tornando-o um metal extremamente incomum. Mazzone e seus colegas recorreram às radiografias e às descrições teóricas do comportamento dos elétrons para descobrir por quê.

Na linha de luz da Função de Distribuição de Pares (PDF) do NSLS-II, os cientistas conduziram experimentos de difração. A linha de luz PDF é otimizada para estudos de materiais fortemente correlacionados sob uma variedade de condições externas, como baixas temperaturas e campos magnéticos. Para este experimento, a equipe colocou amostras de seu metal samário dentro de um criostato refrigerado a hélio líquido no feixe de raios-x do NSLS-II e mediu como os raios-x ricocheteavam nos átomos que compõem a estrutura cristalina do material em diferentes temperaturas.

"Rastreamos como os raios-x refletem na amostra para identificar a localização dos átomos e as distâncias entre eles, "disse Milinda Abeykoon, o principal cientista da linha de luz PDF. "Nossos resultados mostram que, conforme a temperatura cai, os átomos deste material se afastam, fazendo com que todo o material se expanda em até três por cento em volume. "

A equipe também usou raios-x no síncrotron SOLEIL na França e no síncrotron SPring-8 no Japão para dar uma olhada detalhada no que os elétrons estavam fazendo no material em diferentes estágios da transição induzida pela temperatura.

"Esses experimentos de 'espectroscopia de absorção de raios-X' podem rastrear se os elétrons estão se movendo para dentro ou para fora da 'camada' mais externa de elétrons ao redor dos átomos de samário, "explicou o co-autor correspondente Ignace Jarrige, um físico do NSLS-II.

Se você pensar em um dos princípios básicos da química, você deve se lembrar que os átomos com camadas externas não preenchidas tendem a ser mais reativos. A casca externa de Samário está quase meio cheia.

"Toda a física está essencialmente contida nesta última camada, que não está cheio ou não está vazio, "Mazzone disse.

Os experimentos de raio-X de rastreamento de elétrons revelaram que os elétrons fluindo através do metal sulfureto de samário estavam se movendo para a camada externa em torno de cada átomo de samário. À medida que a nuvem de elétrons de cada átomo cresceu para acomodar os elétrons extras, todo o material se expandiu.

Mas os cientistas ainda tiveram que explicar o comportamento com base em teorias da física. Com a ajuda de cálculos realizados por Maxim Dzero, um físico teórico da Kent State University, eles foram capazes de explicar este fenômeno com o chamado efeito Kondo, em homenagem ao físico Jun Kondo.

A ideia básica por trás do efeito Kondo é que os elétrons irão interagir com as impurezas magnéticas em um material, alinhando seus próprios spins na direção oposta da partícula magnética maior para "filtrar, "ou cancelar, seu magnetismo.

No material de sulfeto de samário, Dzero explicou, a camada externa quase meio cheia de cada átomo de samário atua como uma minúscula impureza magnética apontando em uma determinada direção. "E porque você tem um metal, você também encontra elétrons livres que podem se aproximar e cancelar esses pequenos momentos magnéticos, "Dzero disse.

Nem todos os elementos sujeitos ao efeito Kondo têm elétrons preenchendo a camada mais externa, pois também pode ir para o outro lado - fazendo com que os elétrons deixem a camada. A direção é determinada por um delicado equilíbrio de energia ditado pelas regras da mecânica quântica.

"Para alguns elementos, por causa da forma como a camada externa se enche, é energeticamente mais favorável para os elétrons saírem da camada. Mas, para alguns desses materiais, os elétrons podem entrar, o que leva à expansão, "Disse Jarrige. Além de samário, os outros dois elementos são túlio e itérbio.

Valeria a pena explorar compostos contendo esses outros elementos como possíveis ingredientes adicionais para a criação de materiais que se expandem com o resfriamento, Jarrige disse.

Finalmente, os cientistas notaram que a extensão da expansão térmica negativa no sulfeto de samário pode ser ajustada variando a concentração de impurezas.

"Esta capacidade de ajuste torna este material muito valioso para ligas balanceadas de expansão de engenharia, "Mazzone disse.

"A aplicação da modelagem da teoria de muitos corpos altamente desenvolvida foi uma parte importante do trabalho para identificar a conexão entre o estado magnético deste material e sua expansão de volume, "disse Jason Hancock, um colaborador da Universidade de Connecticut (UConn). "Esta colaboração entre o estado de Kent, UConn, Brookhaven Lab, síncrotrons parceiros, e grupos de síntese no Japão poderiam guiar os esforços de descoberta de novos materiais que fazem uso das propriedades incomuns desses materiais de terras raras. "