Julho 30, 2015
Source: ASM International
Os cálculos mostram que um material feito apenas com as quantidades certas de háfnio, azoto e carbono teria um ponto de fusão superior a 4400 K (7460°F). Isto é cerca de dois terços da temperatura à superfície do sol e 200 K acima do ponto de fusão mais alto jamais registado experimentalmente.
O detentor do registo experimental é uma substância feita a partir dos elementos háfnio, tântalo, e carbono (Hf-Ta-C). Mas estes novos cálculos sugerem que uma composição óptima de háfnio, azoto, e carbono-HfN0.38C0.51- é um candidato promissor para estabelecer uma nova marca. O passo seguinte, que os investigadores estão agora a empreender, é sintetizar o material e corroborar os resultados no laboratório.
“A vantagem de começarmos com a abordagem computacional é que podemos tentar muitas combinações diferentes de forma muito barata e encontrar outras que possam valer a pena experimentar no laboratório”, diz Axel van de Walle, professor associado de engenharia na Universidade de Brown. “Caso contrário, estaríamos apenas a disparar no escuro”. Agora sabemos que temos algo que vale a pena experimentar”
Os investigadores utilizaram uma técnica computacional que infere pontos de fusão através da simulação de processos físicos a nível atómico, seguindo a lei da mecânica quântica. A técnica analisa a dinâmica da fusão à medida que ocorrem à escala nanométrica, em blocos de cerca de 100 átomos. É mais eficiente do que os métodos tradicionais, mas ainda computacionalmente exigente devido ao grande número de compostos potenciais a testar. O trabalho foi feito utilizando a rede informática XSEDE da National Science Foundation e o cluster informático de alto desempenho “Oscar” de Brown.
A equipa analisou o material Hf-Ta-C para o qual o ponto de fusão já tinha sido determinado experimentalmente. A simulação foi capaz de elucidar alguns dos factores que contribuem para a notável tolerância ao calor do material.
O trabalho mostra que Hf-Ta-C combinou um elevado calor de fusão (a energia libertada ou absorvida quando transita de sólido para líquido) com uma pequena diferença entre as entropia (desordem) das fases sólida e líquida. “O que faz algo derreter é a entropia ganha no processo de transformação das fases”, explica van de Walle. “Assim, se a entropia do sólido já é muito elevada, isso tende a estabilizar o sólido e a aumentar o ponto de fusão”
Os investigadores utilizaram então essas descobertas para procurar compostos que pudessem maximizar essas propriedades. Descobriram que um composto com háfnio, azoto e carbono teria um calor de fusão igualmente elevado, mas uma diferença menor entre as entropias do sólido e do líquido. Quando calcularam o ponto de fusão utilizando a sua abordagem computacional, este saiu 200 K superior ao registo experimental.
O grupo está agora a colaborar com o laboratório de Alexandra Navrotsky na Universidade da Califórnia, Davis, para sintetizar o composto e realizar as experiências do ponto de fusão. O laboratório da Navrotksy está equipado para tais experiências a altas temperaturas.
Utilizações potenciais?
O trabalho pode, em última análise, apontar para novos materiais de alto desempenho para uma variedade de utilizações, desde o revestimento de turbinas a gás até aos escudos térmicos em aviões de alta velocidade. Mas se o próprio composto HfN0.38C0.51 será um material útil não está claro, van de Walle diz.
“O ponto de fusão não é a única propriedade importante”, diz ele. “Seria necessário considerar coisas como propriedades mecânicas e resistência à oxidação e todo o tipo de outras propriedades. Assim, tendo essas coisas em conta, talvez queira misturar outras coisas com isto que possam baixar o ponto de fusão. Mas como já está a começar tão alto, tem mais margem de manobra para ajustar outras propriedades. Por isso, penso que isto dá às pessoas uma ideia do que pode ser feito”
O trabalho também demonstra o poder desta técnica computacional relativamente nova, diz van de Walle. Nos últimos anos, o interesse em utilizar o cálculo para explorar as propriedades materiais de um grande número de compostos candidatos aumentou, mas muito desse trabalho tem-se concentrado em propriedades que são muito mais fáceis de calcular do que o ponto de fusão. “O ponto de fusão é um problema de previsão realmente difícil em comparação com o que já foi feito anteriormente”, diz van de Walle. “Para a comunidade de modelismo, penso que é isso que tem de especial”
O financiamento veio do Gabinete de Investigação Naval dos EUA e da Universidade de Brown através da utilização das instalações do seu Centro de Computação e Visualização. O Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), que foi utilizado neste estudo, é apoiado pela National Science Foundation.
Classificações de Subjectos
Propriedades e Desempenho dos Materiais
Propriedades e Desempenho dos Materiais | Propriedades Térmicas
Teste e Avaliação de Materiais | Engenharia Computacional de Materiais
Teste e Avaliação de Materiais | Selecção de Materiais