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La dilatación térmica negativa es un proceso físico-químico en el que algunos materiales  se contraen al ser calentados, al contrario de lo que hacen la mayoría de las sustancias. Estos materiales tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales en ingeniería, fotónica, electrónica, y en aplicaciones estructurales. Por ejemplo, mezclando un material de expansión térmica negativa con un material "normal" que se expanda al calentarlo, sería posible hacer un material compuesto de expansión de cero.

Origen de la dilatación térmica negativa

Hay ciertos procesos físicos que pueden causar la contracción de un material con temperaturas crecientes, incluyendo los modos de vibración transversal, los modos de unidad rígida y las transiciones de fase.

Recientemente, Liu y otros han demostrado que este fenómeno se origina de la existencia de presión alta, fases de volumen pequeño con entropía elevada, y con sus configuraciones presentes en la matriz de fase estable a través de fluctuaciones térmicas.[1]​

Expansión térmica negativa en sistemas cuasi-cristalinos

La expansión térmica negativa se observa normalmente en sustancias cuyas moléculas están dispuestas en sistemas cuasi-cristalinos con interacciones direccionales (como el  hielo o el grafeno) y en compuestos complejos (como Cu2O, ZrW2O8, beta-cuarzo, algunas zeolitas, etc.). Aun así, en una artículo se ha de mostrado que la dilatación térmica negativa (DTN) también se presenta en componentes con estructuras empaquetadas compactas con interacciones de un par de fuerzas central.[2]​ Se ha propuestola siguiente condición suficiente  (relativa al aumento de potencial) de los materiales con comportamiento (DTN):

donde  es el par interatómico potencial, y  es la distancia de equilibrio. Esta condición es (i) necesaria y suficiente en una dimensión,, y (ii) suficiente, pero no necesaria en dos y tres dimensiones. Una condición aproximadamente necesaria  y suficiente se deduce en el artículo[3]​

donde es la dimensión espacial. Así, en 2D y 3D la dilatación térmica negativa en sistemas cuasi-cristalinos con interacciones de par se da incluso cuándo la tercera derivada del potencial es cero o incluso negativa. Debe notarse que los casos unidimensionales y multidimensionales son cualitativamente diferentes. En 1D, la expansión térmica está constreñida solo por la desarmonía del potencial interatomico. Por lo tanto, el signo del coeficiente de expansión térmica está determinado por el signo de la tercera derivada del potencial. En el caso multidimensional, la geometría no-lineal está también presente, y las vibraciones de la malla de moléculas son no-lineales incluso en el caso de potencial interatómico armónico. Esta no-linealidad contribuye a la expansión térmica. Por lo tanto, en caso multidimensional, tanto  como  intervienen  como condiciones para que se verifique la dilatación térmica negativa.

Aplicaciones

Hay muchas aplicaciones potenciales para materiales con propiedades de dilatación térmicas controladas. La expansión térmica causa muchos problemas en ingeniería, y de hecho en vida diaria. Un ejemplo sencillo de un problema de expansión térmico es la tendencia de los rellenos dentales a expandirse con una tasa diferente a la de los dientes, (por ejemplo, cuando se ingiere una bebida caliente) causando dolor de muelas. Si los rellenos dentales estuvieran hechos de un material compuesto conteniendo una mezcla de materiales con coeficientes de dilatación térmica negativos y positivos, entonces la expansión global podría ser precisamente ajustada a la del esmalte del diente.

La vitro cerámica es utilizada en placas de cocina.

Materiales

Quizás uno de los más estudiados materiales que exhibe la expansión térmica negativa es el Tungstato Cúbico de Circonio (ZrW2O8). Este compuesto se contrae continuamente en una gama de temperatura de 0.3 a 1050 K (a temperaturas más altas el material se descompone).[4]​ Materiales con este comportamiento son: otros miembros de la familia de materiales AM2O8  (dónde A = Zr o Hf, M = Mo o W) y ZrV2O7. A2(MO4)3 también es un ejemplo de expansión térmica negativa controlable.

 El hielo normal muestra comportamiento (DTN) en sus fases hexagonales y cúbicas en temperaturas muy bajas (por debajo de -200 °C).[5]​ En su forma líquida, el agua pura también muestra dilatación térmica negativa por debajo de 3,984 °C.

Gomas elásticas muestran esta propiedad a temperaturas normales, pero la razón del efecto es bastante diferente a las de otros materiales. Expuesto de forma somera,  cuando las cadenas largas del polímero absorben energía, adoptan una configuración más arrollada, reduciendo el volumen del material.[6]​

El cuarzo y un buen número de zeolitas también muestran dilatación térmica negativa sobre ciertas gamas de temperatura.[7]​[8]​ El silicio sin impurezas tiene un coeficiente negativo de expansión térmica para temperaturas entre aproximadamente 18 K y 120 K. El trifluoruro de escandio  cúbico tiene esta propiedad que se ha explicado por la oscilación cuártica de los iones de fluoruro.[9]​ La energía almacenada en la tensión de doblar el ión de fluoruro es proporcional a la cuarta potencia del ángulo de desplazamiento, al revés que la mayoría de los otros materiales donde es proporcional al cuadrado del desplazamiento. Un átomo de flúor está ligado a dos átomos de escandio, y cuando la temperatura aumenta, el flúor oscila más perpendicular a sus vínculos. Esto situa los átomos de escandio juntos en el material y lo contrae.[10]​ ScF3 exhibe  esta propiedad de 10K a 1100K, temperatura por encima de la que muestra la expansión térmica positiva normal.

[11]​

Referencias

  1. ↑ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi; Shang, Shun-Li (2011). «Origin of negative thermal expansion phenomenon in solids». Scripta Materialia 65 (8): 664-667. doi:10.1016/j.scriptamat.2011.07.001. 
  2. ↑ Rechtsman, M.C.; Stillinger, F.H.; Torquato, S. (2007), «Negative thermal expansion in single-component systems with isotropic interactions», J. Phys. Chem. A 111 (49): 12816-12821, PMID 17988108, doi:10.1021/jp076859l .
  3. ↑ Kuzkin, Vitaly A. (2014), «Comment on 'Negative Thermal Expansion in Single-Component Systems with Isotropic Interactions'», The Journal of Physical Chemistry A 118 (41): 9793-4, PMID 25245826, doi:10.1021/jp509140n .
  4. ↑ Mary, T. A.; Evans, J. S. O.; Vogt, T.; Sleight, A. W. (1996). «Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in ZrW2O8». Science 272 (5258): 90-92. Bibcode:1996Sci...272...90M. doi:10.1126/science.272.5258.90. 
  5. ↑ Röttger, K.; Endriss, A.; Ihringer, J.; Doyle, S.; Kuhs, W. F. (1994). «Lattice constants and thermal expansion of H2O and D2O ice Ih between 10 and 265 K». Acta Crystallographica Section B Structural Science 50 (6): 644-648. doi:10.1107/S0108768194004933. 
  6. ↑ «Heating a rubber band: negative coefficient of thermal expansion | Lecture Demonstrations». Berkeleyphysicsdemos.net. Consultado el 10 de mayo de 2015. 
  7. ↑ Lightfoot, Philip; Woodcock, David A.; Maple, Martin J.; Villaescusa, Luis A.; Wright, Paul A. (2001). «The widespread occurrence of negative thermal expansion in zeolites». Journal of Materials Chemistry 11: 212-216. doi:10.1039/b002950p. 
  8. ↑ Attfield, Martin P. (1998). «Strong negative thermal expansion in siliceous faujasite». Chemical Communications (5): 601-602. doi:10.1039/A707141H. 
  9. ↑ Bullis, W. Murray (1990). «Chapter 6». En O'Mara, William C.; Herring, Robert B.; Hunt, Lee P., eds. Handbook of semiconductor silicon technology. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. p. 431. ISBN 0-8155-1237-6. Consultado el 11 de julio de 2010. 
  10. ↑ Woo, Marcus (7 November 2011). «An incredible shrinking material: Engineers reveal how scandium trifluoride contracts with heat». Physorg. Consultado el 8 November 2011. 
  11. ↑ Greve, Benjamin K.; Kenneth L. Martin; Peter L. Lee; Peter J. Chupas; Karena W. Chapman; Angus P. Wilkinson (19 October 2010). «Pronounced negative thermal expansion from a simple structure: cubic ScF(3).». Journal of the American Chemical Society 132 (44): 15496-15498. PMID 20958035. doi:10.1021/ja106711v. 

Lecturas relacionadas

  • Miller, W.; Smith, C. W.; MacKenzie, D. S.; Evans, K. E. (2009). «Negative thermal expansion: a review». Journal of Materials Science 44 (20): 5441-5451. Bibcode:2009JMatS..44.5441M. doi:10.1007/s10853-009-3692-4. "Negative thermal expansion: a review". Journal of Materials Science 44 (20): 5441–5451. Bibcode:2009JMatS..44.5441M. doi:10.1007/s10853-009-3692-4. 
  • Li, J.; Yokochi, A.; Amos, T. G.; Sleight, A. W. (2002). «Strong Negative Thermal Expansion along the O−Cu−O Linkage in CuScO2». Chemistry of Materials 14 (6): 2602-2606. doi:10.1021/cm011633v. "Strong Negative Thermal Expansion along the O−Cu−O Linkage in CuScO2". Chemistry of Materials 14 (6): 2602–2606. doi:10.1021/cm011633v. 
  • Noailles, L. D.; Peng, H.-h.; Starkovich, J.; Dunn, B. (2004). «Thermal Expansion and Phase Formation of ZrW2O8 Aerogels». Chemistry of Materials 16 (7): 1252-1259. doi:10.1021/cm034791q. "Thermal Expansion and Phase Formation of ZrW2O8 Aerogels". Chemistry of Materials 16 (7): 1252–1259. doi:10.1021/cm034791q. 
  • Grzechnik, A.; Crichton, W. A.; Syassen, K.; Adler, P.; Mezouar, M. (2001). «A New Polymorph of ZrW2O8 Synthesized at High Pressures and High Temperatures». Chemistry of Materials 13 (11): 4255-4259. doi:10.1021/cm011126d. "A New Polymorph of ZrW2O8 Synthesized at High Pressures and High Temperatures". Chemistry of Materials 13 (11): 4255–4259. doi:10.1021/cm011126d. 
  • Sanson, A.; Rocca, F.; Dalba, G.; Fornasini, P.; Grisenti, R.; Dapiaggi, M.; Artioli, G. (2006). «Negative thermal expansion and local dynamics in Cu2O and Ag2O». Physical Review B 73 (21): 214305. Bibcode:2006PhRvB..73u4305S. doi:10.1103/PhysRevB.73.214305. "Negative thermal expansion and local dynamics in Cu2O and Ag2O". Physical Review B 73 (21): 214305. Bibcode:2006PhRvB..73u4305S. doi:10.1103/PhysRevB.73.214305. 
  • Bhange, D. S.; Ramaswamy, Veda (2006). «Negative thermal expansion in silicalite-1 and zirconium silicalite-1 having MFI structure». Materials Research Bulletin 41 (7): 1392-1402. doi:10.1016/j.materresbull.2005.12.002. "Negative thermal expansion in silicalite-1 and zirconium silicalite-1 having MFI structure". Materials Research Bulletin 41 (7): 1392–1402. doi:10.1016/j.materresbull.2005.12.002. 
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