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Svolta scientifica: come ottenere il meraviglioso fenomeno dell'espansione termica negativa in una singola sostanza?
La dilatazione termica negativa (NTE) è un insolito processo fisico-chimico mediante il quale alcuni materiali si contraggono quando vengono riscaldati, anziché espandersi come la maggior parte degli altri materiali. L'esempio più famoso di questo fenomeno è l'acqua, la cui temperatura varia tra 0 e 3,98 °C. La densità dell'acqua solida (ghiaccio) è inferiore a quella dell'acqua liquida a pressione standard, motivo per cui si verifica il fenomeno NTE dell'acqua, che fa sì che il ghiaccio galleggi sulla superficie dell'acqua invece di affondare.
I materiali in grado di raggiungere un'espansione termica negativa possono avere un ampio potenziale in applicazioni ingegneristiche, optoelettroniche, elettroniche e strutturali.
La ricerca ha dimostrato che quando alcuni materiali vengono utilizzati come materiali di compensazione dell'espansione termica e miscelati con materiali che si espandono normalmente, è possibile produrre materiali compositi con espansione termica personalizzata o prossima allo zero.
Origine della dilatazione termica negativa
L'origine dell'espansione termica negativa può essere attribuita a diversi processi fisici, tra cui le modalità di vibrazione laterale, le modalità di unità rigida e i cambiamenti di fase. Nel 2011, i ricercatori hanno scoperto che il fenomeno NTE nasce dall'esistenza di configurazioni ad alta pressione e basso volume che emergono attraverso fluttuazioni termiche in una matrice di fase stabile. Ciò ha permesso loro di prevedere l'enorme dilatazione termica positiva (nel cloruro di molibdeno) e l'infinita dilatazione termica negativa (nel Fe3Pt) che si verificano in determinati materiali.
Espansione termica negativa in un sistema chiuso
L'espansione termica negativa si osserva solitamente nei sistemi non compattati, come ghiaccio, grafene, ecc. Ma uno studio recente dimostra che anche reticoli molto compatti di un singolo componente possono raggiungere un comportamento NTE. In questo articolo viene proposta una condizione potenzialmente sufficiente affinché il fenomeno NTE si verifichi a distanze fondamentali, il che richiede di tenere conto delle interazioni tra gli atomi.
Questo fenomeno è necessario e sufficiente in una dimensione, ma solo sufficiente ma non necessario in due e tre dimensioni.
Materiali con dilatazione termica negativa
Forse il materiale con dilatazione termica negativa più studiato è il tungstato di niobio (ZrW2O8). Il composto continua a restringersi in un intervallo di temperatura compreso tra 0,3 e 1050 K. Altri materiali che presentano proprietà NTE includono altri membri della famiglia AM2O8, nonché HfV2O7 e ZrV2O7, tra gli altri. L'omogeneità di questi materiali li rende preziosi nelle applicazioni ingegneristiche perché il loro NTE è costante in tre dimensioni, facilitandone l'uso come compensatori di dilatazione termica.
Il ghiaccio a basse temperature presenta anche la proprietà di dilatazione termica negativa, molto utile in ingegneria.
Prospettive di applicazione
Combinando materiali tradizionali a dilatazione termica positiva con materiali con proprietà anomale di dilatazione termica negativa si potrà regolare la velocità di dilatazione termica complessiva del materiale composito e persino raggiungere una velocità di dilatazione termica prossima allo zero. Ciò è particolarmente importante in ambito ingegneristico, ad esempio nelle applicazioni di strumentazione di precisione, quando i materiali devono mantenere proprietà stabili in un ampio intervallo di temperature.
Anche nella vita quotidiana la richiesta di materiali a dilatazione termica zero è molto elevata. Ad esempio, le stufe in vetroceramica devono resistere a drastici sbalzi di temperatura. Inoltre, le otturazioni dentali che si espandono a una velocità notevolmente diversa da quella del dente possono causare mal di denti, quindi l'utilizzo di materiali compositi progettati per espandersi insieme allo smalto dei denti può evitare questo problema.
Di fronte ai fenomeni miracolosi di questi materiali, come potrà la comunità scientifica ampliare ulteriormente i confini di questa ricerca?
