La cordierita, un mineral extraordinario que muchas personas conocen como material detrás de las piedras para pizza resistentes al calor, exhibe una extraordinaria capacidad para resistir cambios de tamaño a pesar de las importantes fluctuaciones de temperatura. Aunque se utilizan ampliamente en aplicaciones tan diversas como convertidores catalíticos de automóviles y procesos industriales de alta temperatura, las razones subyacentes detrás de este comportamiento térmico inusual siguen sin estar claras. Se ha publicado un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres. el asuntoproporciona ahora la primera descripción completa, que tiene profundas implicaciones para el diseño y desarrollo de materiales avanzados.
“La sociedad moderna exige materiales que presenten cambios dimensionales mínimos con las fluctuaciones de temperatura, a diferencia de la mayoría de los materiales que se expanden y contraen significativamente”, explicó el profesor Martin Dove, investigador principal y profesor de Materia Condensada y Materiales en la Universidad Queen Mary de Key en Londres. “Ejemplos de estos materiales incluyen Pyrex, utilizado para utensilios de cocina aptos para horno, y vitrocerámica utilizada en placas de cocina”.
A diferencia de la mayoría de los materiales, la corderita muestra una combinación inusual de expansión térmica: baja expansión positiva a lo largo de dos ejes perpendiculares y expansión negativa a lo largo del tercero. Este comportamiento único ha hecho que la cordierita sea invaluable en aplicaciones que requieren una estabilidad térmica excepcional. Sin embargo, los mecanismos exactos de estas propiedades siguen siendo enigmáticos.
Para abordar esto, el equipo de investigación utilizó simulaciones avanzadas de dinámica reticular y dinámica molecular, utilizando campos de fuerza transferibles, para modelar la estructura atómica de la cordierita en diversas condiciones térmicas. Las simulaciones reprodujeron con precisión los datos experimentales, proporcionando información sobre el comportamiento del mineral tanto a bajas como a altas temperaturas.
“Nuestra investigación muestra que la inusual expansión térmica de la cordierita surge de una sorprendente interacción entre las vibraciones atómicas y la elasticidad”, dijo el profesor Du.
A bajas temperaturas, los investigadores observaron que las vibraciones de baja frecuencia favorecen la expansión térmica negativa (NTE) a lo largo de los tres ejes. A temperaturas más altas, predominan las vibraciones de mayor frecuencia, lo que lleva a una expansión positiva más general. Es importante destacar que estas contribuciones se equilibran con las propiedades elásticas del material, que actúan como una bisagra tridimensional, cancelando efectivamente muchos efectos térmicos.
“Este mecanismo de cancelación explica por qué la corderita muestra una pequeña expansión positiva en dos direcciones y una pequeña expansión negativa en la tercera. Este es un resultado inesperado que desafía la comprensión convencional en este campo”, añadió el profesor Du.
Estos hallazgos abren nuevas vías para el descubrimiento y diseño de materiales con propiedades térmicas optimizadas. La metodología desarrollada en este estudio, al combinar simulaciones de vibración nuclear con modelos elásticos, se puede aplicar directamente a otros materiales anisotrópicos, una inversión en la selección de candidatos potenciales para aplicaciones específicas.
“Los materiales anisotrópicos como la cordierita tienen un enorme potencial para producir materiales de alto rendimiento con comportamientos térmicos únicos”, dijo el profesor Du. “Nuestro enfoque puede predecir rápidamente estas propiedades, eliminando la dependencia de procedimientos experimentales, costosos y que consumen mucho tiempo. “
Este estudio también ilustra la importancia de desafiar los supuestos establecidos. “Al principio era escéptico respecto a los resultados”, admite el profesor Dove. “Los datos preliminares sugirieron un comportamiento de expansión similar tanto a altas como a bajas temperaturas, pero los resultados finales revelaron un delicado equilibrio de fuerzas. Este fue un momento de convergencia científica”.
La corderita pertenece a una familia de minerales de silicato con propiedades térmicas prometedoras. Comprender su comportamiento allana el camino para innovaciones en una variedad de campos, incluida la ingeniería automotriz, la electrónica y los materiales utilizados en ambientes extremos. Este estudio también contribuye al creciente conjunto de investigaciones sobre la expansión térmica negativa en sistemas anisotrópicos, un área que históricamente ha sido poco investigada.
Esta investigación marca un avance significativo en el estudio de materiales anisotrópicos y sus comportamientos térmicos. Una vez establecida la metodología, el equipo planea investigar otros minerales de silicato y ampliar sus hallazgos a materiales sintéticos. “Las posibilidades son enormes”, afirmó el profesor Du. “Este trabajo proporciona una hoja de ruta para descubrir nuevos materiales que podrían revolucionar las industrias que dependen de la estabilidad térmica”.
