Metais que não se expandem com o calor? A ciência revela como projetá-los

Esse fenômeno, no entanto, representa um desafio para diversas aplicações tecnológicas, levando à busca por materiais cuja expansão térmica seja mínima ou inexistente—ou seja, metais com um coeficiente de expansão térmica próximo de zero.

Ligas especiais como as invar, compostas principalmente de ferro e níquel, já demonstram baixa expansão térmica. Contudo, até agora, a origem desse comportamento não era completamente compreendida, dificultando a criação de novos materiais com características semelhantes.

Agora, uma colaboração entre cientistas teóricos da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria, e pesquisadores experimentais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, na China, trouxe uma resposta definitiva. Através de simulações computacionais avançadas, a equipe conseguiu desvendar o mecanismo por trás desse efeito, abrindo caminho para o desenvolvimento de novas ligas metálicas com resistência térmica excepcional.

O papel da ordem magnética

Já se sabia que a estrutura magnética das ligas invar estava diretamente relacionada à sua estabilidade térmica. No entanto, até então, não havia um modelo detalhado o suficiente para prever com precisão quais materiais poderiam apresentar esse comportamento.

Para resolver essa lacuna, os pesquisadores criaram simulações de materiais magnéticos em temperaturas variadas no nível atômico.

“Isso nos permitiu entender melhor por que o invar praticamente não se expande”, explicou Segii Khmelevskyi, um dos cientistas envolvidos no estudo. “O fenômeno ocorre devido à transição de estado de certos elétrons à medida que a temperatura aumenta. A ordem magnética do material se reduz, causando uma leve contração. Esse efeito compensa quase perfeitamente a expansão térmica convencional.”

Khmelevskyi acrescenta que, apesar da tendência natural dos átomos a se afastarem com o aumento da temperatura, esse comportamento pode ser equilibrado com precisão em materiais específicos, resultando em uma expansão térmica praticamente nula.

A criação de um novo material estável

Com base nesse novo entendimento, a equipe projetou um ímã pirocloro, uma liga metálica com propriedades térmicas ainda mais estáveis do que as tradicionais ligas invar. Essa nova liga contém zircônio, nióbio, ferro e cobalto e apresenta um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo, mantendo sua estrutura praticamente inalterada em uma faixa de temperatura impressionante de mais de 400 Kelvin (126,85 °C), com variações dimensionais inferiores a 0,0001% por Kelvin.

Os pirocloros são compostos químicos com uma estrutura cristalina tridimensional formada por tetraedros interligados. Essa organização geométrica causa um fenômeno conhecido como frustração magnética, onde os momentos magnéticos dos átomos não conseguem se alinhar de forma convencional. Esse efeito gera propriedades magnéticas incomuns e altamente promissoras para aplicações tecnológicas.

Diferentemente das ligas invar convencionais, que combinam apenas dois metais, a estrutura heterogênea do ímã pirocloro permite um ajuste fino de sua composição em diferentes regiões do material. Esse design permite que o comportamento térmico varie localmente, garantindo que a expansão global seja praticamente inexistente.

Implicações e aplicações tecnológicas

Mais do que apenas um avanço teórico, a pesquisa abre caminho para o desenvolvimento racional de materiais com coeficientes de expansão térmica ultrabaixos. A nova liga pirocloro já desperta interesse em aplicações que exigem estabilidade dimensional extrema, como equipamentos de medição de alta precisão, componentes aeroespaciais e eletrônicos de alta potência, que operam sob condições de temperatura variáveis.

“Criamos um material com um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo em uma faixa de temperatura sem precedentes”, afirmou Yili Cao, membro da equipe. “Nosso trabalho demonstra que podemos projetar novos materiais ajustando sua composição atômica e sua estrutura magnética de maneira controlada.”

Com essa descoberta, cientistas agora podem projetar e fabricar ligas metálicas altamente resistentes às variações térmicas, reduzindo significativamente os desafios associados à expansão e contração dos metais em diversas indústrias. Esse avanço representa um passo essencial para a criação de novos materiais mais estáveis e duráveis para o futuro.

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