Quase todo material, seja sólido, líquido ou gasoso, se expande quando sua temperatura aumenta e se contrai quando sua temperatura diminui. Essa propriedade, chamada expansão térmica, faz um balão de ar quente flutuar, e o fenômeno foi aproveitado para criar termostatos que ligam e desligam automaticamente um forno doméstico. Ferrovias, pontes e edifícios são projetados com essa propriedade em mente e têm espaço para se expandir sem entortar ou quebrar em um dia quente.

A expansão térmica ocorre porque os átomos de um material vibram mais à medida que sua temperatura aumenta. Quanto mais seus átomos vibram, mais eles se afastam de seus átomos vizinhos. À medida que o espaço entre os átomos aumenta, a densidade do material diminui e seu tamanho total aumenta.

Existem algumas exceções, mas, em geral, os materiais obedecem estritamente a esse princípio. Existe, no entanto, uma classe de ligas metálicas chamadas Invars (pense em invariáveis), que teimosamente se recusam a mudar de tamanho e densidade em uma ampla faixa de temperaturas.

Amostras de liga de invar

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

Esse comportamento anômalo torna essas ligas úteis em aplicações onde é necessária extrema precisão, como na fabricação de peças para relógios, telescópios e outros instrumentos finos. Até agora, ninguém sabia por que os Invars se comportam dessa maneira. Em um novo artigo publicado na Nature Physics , pesquisadores do laboratório de Brent Fultz , Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., professor de Ciência dos Materiais e Física Aplicada, dizem ter descoberto o segredo de pelo menos uma estabilidade de Invar.

Por mais de 150 anos, os cientistas sabem que a expansão térmica está relacionada à entropia, um conceito central na termodinâmica. A entropia é uma medida da desordem, como as posições dos átomos, em um sistema. À medida que a temperatura aumenta, também aumenta a entropia de um sistema. Isso é universalmente verdadeiro, então o comportamento incomum de um Invar deve ser explicado por meio de algo que neutraliza essa expansão.

Lohaus diz que há muito se suspeitava que esse comportamento estava de alguma forma relacionado ao magnetismo porque apenas certas ligas que são ferromagnéticas (capazes de serem magnetizadas) se comportam como ínvaros.

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

Uma vez que as propriedades magnéticas de um material são o resultado do chamado estado de spin de seus elétrons - uma medida quântica de momento angular que pode ser "para cima" ou "para baixo" - qualquer efeito magnético que contrarie a expansão esperada do material deve ser devido a a atividade de seus elétrons.

A relação entre entropia, expansão térmica e pressão, conhecida como "relações de Maxwell", é frequentemente apresentada como uma curiosidade de livro didático, mas o grupo Caltech encontrou uma maneira de usá-la para medir independentemente a expansão térmica causada pelo magnetismo e pelas vibrações dos átomos. Os experimentos foram feitos na Advanced Photon Source, uma fonte de raios-X síncrotron no Argonne National Laboratory, em Illinois, medindo o espectro vibracional e o magnetismo de pequenas amostras de Invar a pressões dentro de uma célula de bigorna de diamante.

As medições mostraram um delicado cancelamento da expansão térmica das vibrações dos átomos e do magnetismo. Ambos mudaram com temperatura e pressão, mas de uma forma que manteve seu equilíbrio. Usando uma abordagem teórica precisa recém-desenvolvida, os colaboradores deste trabalho mostraram como esse equilíbrio foi ajudado por interações entre vibrações e magnetismo, como onde as frequências das vibrações dos átomos são alteradas pelo magnetismo. Tal acoplamento entre vibrações e magnetismo pode ser útil para entender a expansão térmica em outros materiais magnéticos, bem como para desenvolver materiais para refrigeração magnética.

A configuração experimental consistia em uma célula de bigorna de diamante, que é essencialmente duas pontas de diamante precisamente moídas entre as quais amostras de materiais podem ser espremidas firmemente. Neste caso, um pequeno pedaço de liga Invar foi espremido a uma pressão de 200.000 atmosferas. Os pesquisadores passaram um poderoso feixe de raios X pela liga e, durante esse processo, os raios X interagiram com as vibrações (fônons) de seus átomos. Essa interação mudou a quantidade de energia transportada pelos raios-X, permitindo aos pesquisadores medir o quanto os átomos estavam vibrando.

Eles também colocaram sensores ao redor da célula da bigorna de diamante que podem detectar padrões de interferência criados pelo estado de rotação dos elétrons pertencentes aos átomos da amostra.

A equipe usou sua configuração experimental para observar as vibrações atômicas de uma amostra Invar e o estado de rotação de seus elétrons à medida que aumentavam a temperatura da amostra. Em temperaturas mais baixas, mais elétrons do Invar compartilhavam o mesmo estado de rotação, fazendo com que eles se afastassem e afastassem também seus átomos originais.

À medida que a temperatura do Invar aumentava, o estado de rotação de alguns desses elétrons mudava cada vez mais. Como resultado, os elétrons ficaram mais confortáveis ??em se aproximar dos elétrons vizinhos. Normalmente, isso faria com que o Invar se contraísse à medida que esquentava. Mas aqui os átomos do Invar também vibravam mais e ocupavam mais espaço. A contração devido à mudança dos estados de rotação e a expansão da vibração atômica se neutralizaram, e o Invar permaneceu do mesmo tamanho.

"Isso é empolgante porque tem sido um problema na ciência há mais de cem anos", diz Lohaus. “Existem literalmente milhares de publicações tentando mostrar como o magnetismo causa contração, mas não havia uma explicação holística do efeito Invar”.

O artigo que descreve a pesquisa, " Explicação termodinâmica do efeito Invar ", foi publicado na edição de 27 de julho da Nature Physics. Os coautores são estudantes de pós-graduação em ciência dos materiais Pedro Guzman e Camille M. Bernal-Choban, visitante em física aplicada e ciência dos materiais Claire N. Saunders, Guoyin Shen do Argonne National Laboratory, Olle Hellman do Weizmann Institute of Science, David Broido e Matthew Heine, do Boston College, e Fultz.

O financiamento para a pesquisa foi fornecido pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA.