Sai come lasci spazio in una bottiglia d'acqua prima di metterla nel congelatore, per tenere conto del fatto che l'acqua si espande mentre si congela? La maggior parte delle parti metalliche negli aeroplani affronta il problema opposto più comune. Ad alta quota (basse temperature) si restringono. Per evitare che tale restringimento causi gravi disastri, gli ingegneri costruiscono aeroplani con materiali compositi o leghe, mescolando materiali che hanno proprietà di espansione opposte per bilanciarsi a vicenda.

Una nuova ricerca condotta in parte presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti potrebbe portare un'intera nuova classe di elementi chimici in questo atto di bilanciamento della scienza dei materiali.

Come descritto in un articolo appena pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , gli scienziati hanno utilizzato i raggi X presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, e altre due sorgenti di luce di sincrotrone per esplorare un metallo insolito che si espande notevolmente a bassa temperatura. Gli esperimenti sul solfuro di samario drogato con alcune impurità hanno rivelato dettagli sulla struttura a livello atomico del materiale e sulle origini a base di elettroni della sua "espansione termica negativa".

Questo lavoro apre strade per la progettazione di nuovi materiali in cui il grado di espansione può essere regolato con precisione modificando la ricetta chimica. Suggerisce anche alcuni materiali correlati che potrebbero essere esplorati per applicazioni di miscelazione dei metalli.

"Nelle applicazioni pratiche, che si tratti di un aereo o di un dispositivo elettronico, vuoi creare leghe di materiali con queste proprietà opposte:cose che si espandono da un lato e si restringono dall'altro quando si raffreddano, quindi in totale rimane lo stesso, " ha spiegato Daniele Mazzone, l'autore principale del documento e un borsista post-dottorato presso NSLS-II e il dipartimento di fisica e scienza dei materiali condensati del Brookhaven Lab.

Ma i materiali che imitano l'espansione dell'acqua quando raffreddata sono pochi e rari. E mentre l'espansione dell'acqua gelida è ben compresa, la drammatica espansione del solfuro di samario non era mai stata spiegata.

Come altri materiali studiati da Mazzone, questo composto a base di samario (nello specifico solfuro di samario con alcuni atomi di ittrio che prendono il posto di alcuni atomi di samario) è caratterizzato da fasi elettroniche concorrenti (in qualche modo analoghe al solido, liquido, e fasi gassose dell'acqua). A seconda delle condizioni esterne come temperatura e pressione, gli elettroni nel materiale possono fare cose diverse. In alcuni casi, il materiale è un metallo color oro attraverso il quale gli elettroni possono muoversi liberamente:un conduttore. In altre condizioni, è un semiconduttore di colore nero, permettendo solo ad alcuni elettroni di fluire.

Lo stato metallico dorato è quello che si espande drammaticamente quando raffreddato, rendendolo un metallo estremamente insolito. Mazzone e i suoi colleghi si sono rivolti ai raggi X e alle descrizioni teoriche del comportamento degli elettroni per capirne il motivo.

Alla linea di luce della funzione di distribuzione delle coppie (PDF) di NSLS-II, gli scienziati hanno condotto esperimenti di diffrazione. La linea di luce PDF è ottimizzata per studi di materiali fortemente correlati in una varietà di condizioni esterne come basse temperature e campi magnetici. Per questo esperimento, il team ha posizionato campioni del loro metallo di samario all'interno di un criostato raffreddato ad elio liquido nel raggio dei raggi X di NSLS-II e ha misurato come i raggi X rimbalzavano sugli atomi che compongono la struttura cristallina del materiale a diverse temperature.

"Tracciamo il modo in cui i raggi X rimbalzano sul campione per identificare le posizioni degli atomi e le distanze tra loro, " disse Milinda Abeykoon, lo scienziato capo della linea di luce PDF. "I nostri risultati mostrano che, mentre la temperatura scende, gli atomi di questo materiale si allontanano di più, facendo sì che l'intero materiale si espanda fino al tre percento in volume".

Il team ha anche utilizzato i raggi X al sincrotrone SOLEIL in Francia e al sincrotrone SPring-8 in Giappone per dare un'occhiata dettagliata a ciò che gli elettroni stavano facendo nel materiale nelle diverse fasi della transizione indotta dalla temperatura.

"Questi esperimenti di 'spettroscopia di assorbimento dei raggi X' possono monitorare se gli elettroni si stanno muovendo dentro o fuori dal 'guscio' più esterno di elettroni attorno agli atomi di samario, " ha spiegato l'autore corrispondente Ignace Jarrige, un fisico presso NSLS-II.

Se ripensi a una delle basi della chimica, potresti ricordare che gli atomi con gusci esterni non riempiti tendono ad essere i più reattivi. Il guscio esterno di Samario è pieno per poco meno della metà.

"Tutta la fisica è essenzialmente contenuta in quest'ultimo guscio, che non è pieno o non è vuoto, " Disse Mazzone.

Gli esperimenti a raggi X di tracciamento degli elettroni hanno rivelato che gli elettroni che fluiscono attraverso il metallo di solfuro di samario si stavano spostando in quel guscio esterno attorno a ciascun atomo di samario. Man mano che la nuvola di elettroni di ciascun atomo cresceva per accogliere gli elettroni in più, l'intero materiale si è espanso.

Ma gli scienziati dovevano ancora spiegare il comportamento sulla base di teorie fisiche. Con l'aiuto dei calcoli eseguiti da Maxim Dzero, un fisico teorico della Kent State University, sono stati in grado di spiegare questo fenomeno con il cosiddetto effetto Kondo, prende il nome dal fisico Jun Kondo.

L'idea alla base dell'effetto Kondo è che gli elettroni interagiranno con le impurità magnetiche in un materiale, allineando i propri spin nella direzione opposta della particella magnetica più grande per "schermare, " o annulla, il suo magnetismo.

Nel materiale samario-solfuro, Dzero ha spiegato, il guscio esterno quasi mezzo pieno di ogni atomo di samario agisce come una minuscola impurità magnetica che punta in una certa direzione. "E poiché hai un metallo, trovi anche elettroni liberi che possono avvicinarsi e cancellare questi piccoli momenti magnetici, " disse Dzero.

Non tutti gli elementi soggetti all'effetto Kondo hanno elettroni che riempiono il guscio più esterno, poiché può anche andare nella direzione opposta, facendo sì che gli elettroni lascino il guscio. La direzione è determinata da un delicato bilancio energetico dettato dalle regole della meccanica quantistica.

"Per alcuni elementi, a causa del modo in cui il guscio esterno si riempie, è più energeticamente favorevole che gli elettroni escano dal guscio. Ma per un paio di questi materiali, gli elettroni possono entrare, che porta all'espansione, " disse Jarrige. Oltre al samario, gli altri due elementi sono il tulio e l'itterbio.

Varrebbe la pena esplorare composti contenenti questi altri elementi come possibili ingredienti aggiuntivi per la creazione di materiali che si espandono al raffreddamento, disse Jarrige.

Finalmente, gli scienziati hanno notato che l'entità dell'espansione termica negativa nel solfuro di samario può essere regolata variando la concentrazione delle impurità.

"Questa sintonizzabilità rende questo materiale molto prezioso per la progettazione di leghe bilanciate per l'espansione, " Disse Mazzone.

"L'applicazione della modellizzazione della teoria dei molti corpi altamente sviluppata è stata una parte importante del lavoro per identificare la connessione tra lo stato magnetico di questo materiale e la sua espansione di volume, "ha detto Jason Hancock, un collaboratore presso l'Università del Connecticut (UConn). "Questa collaborazione tra Kent State, UConn, Laboratorio Brookhaven, sincrotroni partner, e i gruppi di sintesi in Giappone potrebbero potenzialmente guidare gli sforzi per la scoperta di nuovi materiali che fanno uso delle proprietà insolite di questi materiali delle terre rare".