30 luglio 2015
Fonte: ASM International
I calcoli mostrano che un materiale fatto con le giuste quantità di afnio, azoto e carbonio avrebbe un punto di fusione di oltre 4400 K (7460°F). Questo è circa due terzi della temperatura sulla superficie del sole e 200 K più alto del punto di fusione più alto mai registrato sperimentalmente.
Il detentore del record sperimentale è una sostanza fatta dagli elementi afnio, tantalio e carbonio (Hf-Ta-C). Ma questi nuovi calcoli suggeriscono che una composizione ottimale di afnio, azoto e carbonio – HfN0.38C0.51 – è un candidato promettente per stabilire un nuovo record. Il prossimo passo, che i ricercatori stanno intraprendendo ora, è quello di sintetizzare il materiale e corroborare i risultati in laboratorio.
“Il vantaggio di iniziare con l’approccio computazionale è che possiamo provare molte combinazioni diverse in modo molto economico e trovare quelle che potrebbero valere la pena di sperimentare in laboratorio”, dice Axel van de Walle, professore associato di ingegneria alla Brown University. “Altrimenti staremmo solo sparando nel buio. Ora sappiamo di avere qualcosa che vale la pena provare”.
I ricercatori hanno usato una tecnica computazionale che infonde i punti di fusione simulando processi fisici a livello atomico, seguendo la legge della meccanica quantistica. La tecnica guarda le dinamiche di fusione mentre si verificano su scala nanometrica, in blocchi di 100 atomi o giù di lì. È più efficiente dei metodi tradizionali, ma ancora computazionalmente impegnativo a causa del gran numero di potenziali composti da testare. Il lavoro è stato fatto utilizzando la rete di computer XSEDE della National Science Foundation e il cluster di computer ad alte prestazioni “Oscar” di Brown.
Il team ha analizzato il materiale Hf-Ta-C per il quale il punto di fusione era già stato determinato sperimentalmente. La simulazione è stata in grado di chiarire alcuni dei fattori che contribuiscono alla notevole tolleranza al calore del materiale.
Il lavoro mostra che Hf-Ta-C ha combinato un alto calore di fusione (l’energia rilasciata o assorbita quando passa da solido a liquido) con una piccola differenza tra le entropie (disordine) delle fasi solida e liquida. “Ciò che fa fondere qualcosa è l’entropia guadagnata nel processo di trasformazione di fase”, spiega van de Walle. “Quindi, se l’entropia del solido è già molto alta, questo tende a stabilizzare il solido e ad aumentare il punto di fusione.”
I ricercatori hanno poi usato questi risultati per cercare dei composti che potessero massimizzare queste proprietà. Hanno scoperto che un composto con afnio, azoto e carbonio avrebbe un calore di fusione altrettanto elevato, ma una differenza minore tra le entropie del solido e del liquido. Quando hanno calcolato il punto di fusione usando il loro approccio computazionale, è risultato 200 K più alto del record sperimentale.
Il gruppo sta ora collaborando con il laboratorio di Alexandra Navrotsky dell’Università della California, Davis, per sintetizzare il composto ed eseguire gli esperimenti sul punto di fusione. Il laboratorio di Navrotksy è attrezzato per tali esperimenti ad alta temperatura.
Usi potenziali?
Il lavoro potrebbe infine puntare verso nuovi materiali ad alte prestazioni per una varietà di usi, dalla placcatura per le turbine a gas agli scudi termici sugli aerei ad alta velocità. Ma se il composto HfN0.38C0.51 stesso sarà un materiale utile non è chiaro, dice van de Walle.
“Il punto di fusione non è l’unica proprietà importante”, dice. “Bisognerebbe considerare cose come le proprietà meccaniche e la resistenza all’ossidazione e ogni sorta di altre proprietà. Quindi, tenendo conto di queste cose, si potrebbe voler mescolare altre cose con questo che potrebbe abbassare il punto di fusione. Ma dato che stai già iniziando così in alto, hai più margine di manovra per regolare altre proprietà. Quindi penso che questo dia alle persone un’idea di ciò che si può fare”.”
Il lavoro dimostra anche la potenza di questa tecnica computazionale relativamente nuova, dice van de Walle. Negli ultimi anni, l’interesse nell’uso del calcolo per esplorare le proprietà dei materiali di un gran numero di composti candidati è aumentato, ma molto di quel lavoro si è concentrato su proprietà che sono molto più facili da calcolare del punto di fusione. “Il punto di fusione è un problema di previsione molto difficile rispetto a quello che è stato fatto prima”, dice van de Walle. “Per la comunità di modellazione, penso che questo sia ciò che è speciale.”
Il finanziamento è venuto dall’Ufficio della Ricerca Navale degli Stati Uniti e dalla Brown University attraverso l’uso delle strutture del suo Centro per il Calcolo e la Visualizzazione. L’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), che è stato usato in questo studio, è supportato dalla National Science Foundation.
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