Language
Country/Area
No result found
Il misterioso mondo della dilatazione termica negativa: perché alcuni materiali si restringono quando vengono riscaldati?
Nella vita quotidiana osserviamo spesso che la materia si espande quando viene riscaldata. Tuttavia, alcuni materiali mostrano un comportamento esattamente opposto e, quando vengono riscaldati, addirittura si restringono. Questo fenomeno è chiamato dilatazione termica negativa (NTE). Questa particolare trasformazione fisica offre a scienziati e ingegneri un interessante argomento di ricerca e mostra potenziali prospettive di applicazione in molti campi.
La dilatazione termica negativa è un insolito processo fisico-chimico in cui alcuni materiali si contraggono quando vengono riscaldati, anziché seguire il comportamento di espansione tipico della maggior parte dei materiali.
Uno dei materiali più noti con dilatazione termica negativa è l'acqua, che mostra questa proprietà nel suo comportamento nell'intervallo da 0 a 3,98 gradi Celsius. Il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida, per questo motivo i cubetti di ghiaccio galleggiano sull'acqua. Questa caratteristica non solo ha una grande importanza in natura, ma fornisce anche molte nuove idee per l'ingegneria. La miscelazione di materiali a dilatazione termica negativa e materiali a dilatazione termica positiva normale può essere utilizzata come compensatori di dilatazione termica per regolare con precisione materiali compositi composti da materiali diversi o addirittura per ottenere un'espansione termica prossima allo zero.
Origine della dilatazione termica negativa
Il fenomeno dell'espansione termica negativa è causato da una varietà di processi fisici, tra cui modalità di vibrazione laterale, modalità di unità rigida e cambiamenti di fase. Lo studio ha dimostrato che l'espansione termica negativa deriva dalla presenza di elevata entropia di configurazioni ad alta pressione e piccolo volume che esistono in una matrice di fasi stabili tramite fluttuazioni termiche. Questo processo non solo consente di prevedere un'enorme dilatazione termica positiva di alcuni materiali (come il bario) e un'espansione termica negativa nulla e infinita (come Fe3Pt), ma getta anche le basi per la progettazione di nuovi materiali.
Espansione termica negativa nei sistemi compattiAlcuni materiali possono presentare grandi dilatazioni termiche negative e positive dovute alla progettazione della loro microstruttura interna.
L'espansione termica negativa si osserva solitamente in sistemi che non sono strettamente compattati e presentano interazioni direzionali, come il ghiaccio e il grafene. Tuttavia, le ricerche più recenti indicano che l'espansione termica negativa può essere ottenuta anche in una struttura cristallina monocomponente e compatta. Ciò significa che il comportamento dell'NTE può essere osservato anche in determinati sistemi con interazioni specifiche, ampliando così gli orizzonti della ricerca scientifica.
Tipi di materiali a dilatazione termica negativa
Nella ricerca sui materiali a dilatazione termica negativa, il tantalato di zirconio (ZrW2O8) è quello che attira maggiormente l'attenzione. Continua a restringersi nell'intervallo di temperatura compreso tra 0,3 e 1050 K, anche se a temperature più elevate il materiale si disintegrerebbe. Oltre ai tantalati di zirconato, anche altri composti, come HfV2O7 e ZrV2O7, presentano un comportamento NTE, dimostrando il loro potenziale nelle applicazioni ingegneristiche. Anche le ceramiche speciali, le fibre di carbonio e alcuni cristalli minerali (come il quarzo) presentano un'espansione termica negativa entro un certo intervallo di temperatura.
L'espansione termica negativa è osservata in molti materiali. Alcuni materiali speciali, come la lega ALLVAR 30, presentano un coefficiente di espansione termica istantanea di -30 ppm/°C a 20°C, il che lo rende ampiamente utilizzato in campo aerospaziale e ottico. .
Prospettive di applicazione
I materiali a dilatazione termica negativa possono formare un composito con i normali materiali a dilatazione termica positiva per regolare il coefficiente di dilatazione termica complessivo del materiale. Questa proprietà è particolarmente importante nelle applicazioni ingegneristiche che richiedono una dilatazione termica pari a zero, come strumenti di precisione e giunti termicamente stabili. Ad esempio, i piani cottura in vetroceramica sono in grado di sopportare le maggiori variazioni di temperatura durante la cottura, sfruttando le proprietà di dilatazione delle diverse fasi per compensare ed evitare il rischio di crepe. I materiali da otturazione dentale possono anche essere progettati con precisione in base alle caratteristiche di espansione termica dei denti sotto forma di materiali compositi, per ridurre il disagio del paziente.
Con il progresso della scienza e della tecnologia, la ricerca e l'applicazione dell'espansione termica negativa hanno gradualmente ricevuto attenzione, offrendo nuove opportunità per la progettazione futura dei materiali e per le applicazioni ingegneristiche. Quanti misteriosi principi scientifici si celano dietro questi materiali pieni di potenzialità che aspettano ancora di essere esplorati?
