Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno recentemente sintetizzato un nuovo materiale che mostra proprietà di espansione termica uniche. Il metodo utilizzato dagli scienziati consente la produzione di un ossido cristallino unico contenente zirconio, zolfo, e fosforo, che mostra due distinti meccanismi di espansione termica negativa. Questo è il primo materiale noto a mostrare questa proprietà e la sua applicazione può aiutare a evitare danni ai materiali compositi, come componenti del chip del computer, fronte a sbalzi di temperatura imprevisti.

La maggior parte dei materiali tende ad espandersi quando riscaldata, mentre gli atomi si allontanano. L'espandibilità dei materiali al calore viene misurata utilizzando il coefficiente di espansione termica (CTE). La maggior parte degli attuali materiali industriali ha un CTE positivo, facendoli funzionare male se sottoposti a temperature più "estreme". Però, alcuni materiali sperimentano l'effetto opposto, restringendosi a temperature più elevate. Questo insolito processo, nota come espansione termica negativa, può aiutare a risolvere il problema dei danni causati dal calore ai materiali compositi.

Un team di scienziati del Tokyo Institute of Technology guidato dal prof. associato Toshihiro Isobe ha svolto ricerche su materiali con CTE negativo. Come spiega la dottoressa Isobe, "Il comportamento negativo dell'espansione termica può essere principalmente attribuito a due tipi di meccanismi, transizione di fase e meccanismo di tipo quadro." Entrambi questi meccanismi hanno trovato applicazione industriale in quanto entrambi hanno pro e contro. I materiali di tipo transizione di fase hanno grandi CTE negativi ma intervalli di temperatura utilizzabili ristretti, che ne limita l'uso operativo, in particolare come riempitivi in ​​materiali compositi. Materiali tipo struttura, d'altra parte, mostrano il ritiro termico in un ampio intervallo di temperature, ma poiché hanno piccoli valori CTE assoluti, sono necessari in grandi quantità per ottenere il risultato desiderato. Per anni, gli scienziati hanno cercato un compromesso adeguato tra i due, ma non sono mai stati segnalati materiali in grado di subire entrambi i meccanismi di dilatazione termica negativa, fino ad ora.

Nel loro nuovo studio, pubblicato in Materiali NPG Asia , Il Dr. Isobe e il suo team riportano un metodo per sintetizzare un nuovo ossido cristallino fatto di zirconio, zolfo, e fosforo, e descriverne le caratteristiche. Questo cristallo, la cui formula chimica è Zr ₂ SP ₂ oh ₁₂ , è descritto dal Dr. Isobe come "un materiale CTE negativo che mostra sia meccanismi di transizione che di tipo quadro quando riscaldato".

Gli scienziati hanno scoperto che, mentre Zr ₂ SP ₂ oh ₁₂ presenta entrambi i meccanismi di meccanismo termico negativo menzionati in precedenza, uno potrebbe essere dominante a una data temperatura. Ad esempio, tra 393K (circa 120°C) e 453K (circa 180°C), il materiale si è rapidamente ridotto e alcune delle unità strutturali sono state deformate, che indica una transizione di fase. Però, al di sopra e al di sotto di questo intervallo di temperatura, la contrazione non era così pronunciata, e i ricercatori hanno invece osservato piccoli cambiamenti nella lunghezza e nell'angolo dei legami tra gli atomi, una caratteristica del meccanismo di tipo quadro.

I ricercatori hanno anche notato un fenomeno interessante. Hanno scoperto che i cristalli contenenti meno atomi di zolfo nel reticolo si deformavano più facilmente durante la transizione di fase (120-180°C), con conseguente maggiore contrazione del materiale (CTE negativo più elevato). Questo può aiutare nella produzione di Zr ₂ SP ₂ oh ₁₂ cristalli con il CTE desiderato per applicazioni specifiche.

Questo nuovo materiale cristallino e il meccanismo della sua produzione potrebbero aprire la strada alla sintesi di composti con un meccanismo duale simile. Per di qua, gli ingegneri dei materiali sarebbero in grado di selezionare composti con proprietà specifiche per adattare le prestazioni dei materiali fabbricati a condizioni operative specifiche.