Los compuestos hechos de hafnio y carbono tienen algunos de los puntos de fusión más altos conocidos. Utilizando simulaciones por computadora, los ingenieros de la Universidad de Brown predicen que un material hecho con hafnio, nitrógeno y carbono tendrá un punto de fusión más alto que cualquier material conocido.
Los cálculos, descritos en la revista Physical Review B (Rapid Communications) , mostraron que un material hecho con las cantidades adecuadas de hafnio, nitrógeno y carbono tendría un punto de fusión de más de 4.400 kelvins (7.460 grados Fahrenheit). Eso es aproximadamente dos tercios de la temperatura en la superficie del sol y 200 kelvin más alto que el punto de fusión más alto jamás registrado experimentalmente.
El poseedor del registro experimental es una sustancia hecha de los elementos hafnio, tantalio y carbono (Hf-Ta-C). Pero estos nuevos cálculos sugieren que una composición óptima de hafnio, nitrógeno y carbono (HfN 0.38 C 0.51 ) es un candidato prometedor para establecer una nueva marca. El siguiente paso, que los investigadores están emprendiendo ahora, es sintetizar el material y corroborar los hallazgos en el laboratorio.
"La ventaja de comenzar con el enfoque computacional es que podemos probar muchas combinaciones diferentes a muy bajo costo y encontrar algunas con las que valga la pena experimentar en el laboratorio", dijo Axel van de Walle, profesor asociado de ingeniería y coautor del estudio. con el investigador postdoctoral Qijun Hong. “De lo contrario, estaríamos filmando en la oscuridad. Ahora sabemos que tenemos algo que vale la pena intentar ".
Los investigadores utilizaron una técnica computacional que infiere puntos de fusión mediante la simulación de procesos físicos a nivel atómico, siguiendo la ley de la mecánica cuántica. La técnica analiza la dinámica de la fusión a medida que ocurren a nanoescala, en bloques de aproximadamente 100 átomos. Es más eficiente que los métodos tradicionales, pero sigue siendo computacionalmente exigente debido a la gran cantidad de compuestos potenciales para probar. El trabajo se realizó utilizando la red informática XSEDE de la National Science Foundation y el grupo informático de alto rendimiento "Oscar" de Brown.
Van de Walle y Hong comenzaron analizando el material Hf-Ta-C para el que ya se había determinado experimentalmente el punto de fusión. La simulación pudo dilucidar algunos de los factores que contribuyen a la notable tolerancia al calor del material.
El trabajo mostró que Hf-Ta-C combinó un alto calor de fusión (la energía liberada o absorbida cuando pasa de sólido a líquido) con una pequeña diferencia entre las entropías (desorden) de las fases sólida y líquida. "Lo que hace que algo se derrita es la entropía ganada en el proceso de transformación de fase", explicó van de Walle. "Entonces, si la entropía del sólido ya es muy alta, eso tiende a estabilizar el sólido y aumentar el punto de fusión".
Luego, los investigadores utilizaron esos hallazgos para buscar compuestos que pudieran maximizar esas propiedades. Descubrieron que un compuesto con hafnio, nitrógeno y carbono tendría un calor de fusión igualmente alto, pero una diferencia menor entre las entropías del sólido y el líquido. Cuando calcularon el punto de fusión utilizando su enfoque computacional, resultó 200 kelvin más alto que el registro experimental.
Van de Walle y Hong ahora están colaborando con el laboratorio de Alexandra Navrotsky en la Universidad de California-Davis para sintetizar el compuesto y realizar los experimentos de punto de fusión. El laboratorio de Navrotksy está equipado para experimentos de alta temperatura.
En última instancia, el trabajo podría apuntar hacia nuevos materiales de alto rendimiento para una variedad de usos, desde enchapado para turbinas de gas hasta escudos térmicos en aviones de alta velocidad. Pero si el compuesto HfN 0.38 C 0.51 en sí mismo será un material útil no está claro, dice van de Walle.
“El punto de fusión no es la única propiedad importante [en las aplicaciones de materiales]”, dijo. “Debería considerar aspectos como las propiedades mecánicas y la resistencia a la oxidación y todo tipo de otras propiedades. Entonces, teniendo en cuenta esas cosas, es posible que desee mezclar otras cosas con esto que podrían reducir el punto de fusión. Pero como ya está comenzando tan alto, tiene más margen para ajustar otras propiedades. Así que creo que esto le da a la gente una idea de lo que se puede hacer ".
El trabajo también demuestra el poder de esta técnica computacional relativamente nueva, dice van de Walle. En los últimos años, ha aumentado el interés en utilizar la computación para explorar las propiedades de los materiales de una gran cantidad de compuestos candidatos, pero gran parte de ese trabajo se ha centrado en propiedades que son mucho más fáciles de calcular que el punto de fusión.
"El punto de fusión es un problema de predicción realmente difícil en comparación con lo que se ha hecho antes", dijo van de Walle. "Para la comunidad de modelos, creo que eso es lo que tiene de especial".
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos (N00014-12-1-0196 y N00014-14-1-0055) y por la Universidad de Brown mediante el uso de las instalaciones de su Centro de Computación y Visualización. El entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas (XSEDE), que se utilizó en este estudio, cuenta con el apoyo de la subvención nº ACI-1053575 de la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente: news.brown.edu