Por que algumas ligas não se expandem quando aquecidas?

Aug 18, 2023

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Um novo estudo realizado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) descobriu a razão pela qual algumas ligas metálicas não se expandem quando ficam quentes. Em temperaturas mais altas, as propriedades magnéticas intrínsecas das chamadas ligas Invar podem causar contração suficiente para cancelar qualquer expansão térmica esperada. Os resultados da pesquisa são publicados na revista Nature Physics.

A expansão térmica ocorre quando um material absorve calor, fazendo com que seus átomos vibrem com mais força e se afastem de seus vizinhos. Como resultado, o material se torna menos denso e aumenta ligeiramente de tamanho.

Estes movimentos à escala atómica podem não parecer muito, mas somam-se – a Torre Eiffel pode expandir-se até 15 centímetros durante os dias mais quentes de Paris.

Embora isso seja um fato divertido sobre uma atração turística, a expansão térmica pode significar um desastre quando o metal é necessário para aplicações de alta precisão. Ninguém quer que um telescópio ou relógio de pulso bem calibrado inche e pare de funcionar.

“É quase inédito encontrar metais que não se expandem”, diz Stefan Lohaus, estudante de graduação em ciência dos materiais e autor principal do novo artigo. “Mas em 1895, um físico descobriu por acidente que se você combinar ferro e níquel, cada um deles com expansão térmica positiva, em uma certa proporção, você obtém esse material com um comportamento muito incomum”.

Essa liga de níquel-ferro é conhecida como Invar, nome que deriva da palavra invariável, referindo-se à sua resistência à mudança.

Historicamente, os pesquisadores suspeitavam que essa resistência incomum à expansão térmica poderia ter algo a ver com as propriedades magnéticas do metal, já que apenas ligas ferromagnéticas (capazes de serem magnetizadas) atuaram como Invars.

“Decidimos analisar isso porque temos uma configuração experimental muito bacana que pode medir tanto o magnetismo quanto as vibrações atômicas”, diz Lohaus. "Era um sistema perfeito para isso."

Usando um síncrotron na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne, os pesquisadores fizeram medições do espectro vibracional e do magnetismo de pequenas amostras de Invar.

As peças Invar foram mantidas sob pressão em uma bigorna de diamante – uma configuração onde duas pontas de diamante moídas com precisão se encaixam e comprimem firmemente a amostra. Aqui, a liga Invar foi comprimida a uma pressão de 200.000 atmosferas antes que feixes de poderosos raios X fossem lançados na liga, onde interagiam com as vibrações dos átomos da amostra. Ao medir as mudanças na quantidade de energia transportada pelos raios X, os cientistas podem inferir o quanto os átomos da amostra estão vibrando.

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Os pesquisadores também colocaram sensores ao redor das células da bigorna de diamante que são capazes de detectar padrões de interferência criados pelo estado de spin dos elétrons na amostra. Isto é crucial, uma vez que as propriedades magnéticas de um material ferromagnético são causadas pelo estado de spin dos seus eletrões – o que pode ser pensado como uma espécie de medida quântica do momento angular, sendo que normalmente se diz que os spins são “para cima” ou “para baixo”. Em um metal ferromagnético, esses spins se alinharão paralelamente entre si para formar “domínios” magnéticos com a mesma direção de spin.

Com esta configuração, os pesquisadores examinaram o estado de spin dos elétrons em uma amostra Invar, bem como suas vibrações atômicas, enquanto aumentavam a temperatura da amostra.

Em temperaturas baixas, mais elétrons do Invar compartilhavam o mesmo estado de spin, fazendo com que os elétrons se afastassem. Isso afasta seus átomos parentais, permitindo assim a expansão térmica.