Los científicos que usan material de simulación por computadora predijeron un punto de fusión récord

Los científicos de materiales de la Universidad de Brown (Rhode Island, EE. UU.) Que utilizan simulaciones por computadora han calculado que el material hecho de hafnio, nitrógeno y carbono tendrá el punto de fusión más alto de todos los conocidos hasta la fecha. En sus cálculos, los científicos utilizaron las leyes de la mecánica cuántica.

El hafnio metálico fue descubierto a principios del siglo XX. Es refractario en sí mismo: su punto de fusión es de 2506 K. Aunque esto es menor que, digamos, el famoso tungsteno (3695 K), pero las aleaciones con la participación de carbono y hafnio han establecido récords de puntos de fusión.

Por ejemplo, desde 1930, carburo de tantalio y hafnio (Ta ₄ HfC₅ ) - 4215 K. Pero el nuevo material hipotético gana esta competencia con una temperatura de al menos 4400 K. Esto es más de 3/4 de la temperatura efectiva de la superficie del Sol (5778 K). Es cierto, todo esto es solo una teoría hasta ahora: todavía es necesario fabricar dicho material y probarlo en un horno muy, muy caliente.

Pero el hecho de que tales teorías se puedan calcular en una computadora es un gran paso adelante. "La ventaja del enfoque, en el que la investigación comienza con simulaciones por computadora, es que podemos probar muchas combinaciones diferentes sin el alto costo de las pruebas e inmediatamente encontrar opciones con las que debería experimentar en el laboratorio", explica Axel van de Vale, asistente profesores y coautores del artículo. "En una situación normal, habríamos actuado al azar, pero ahora sabemos con qué experimentar".

Utilizando la supercomputadora de la National Science Foundation, los científicos simularon procesos físicos a nivel atómico, simulando el comportamiento de cientos de átomos, utilizando las leyes de la física cuántica. Sobre la base de la estructura del carburo de tantalio y hafnio, los científicos que utilizan cálculos informáticos han descubierto exactamente qué factores conducen a un punto de fusión tan alto.

Resultó que el carburo de tantalio y hafnio combina un alto calor específico de fusión con una pequeña diferencia en la entropía entre las fases líquida y sólida. Como explica Van de Vale, cuando un material se derrite, su entropía aumenta, y si la diferencia de entropía entre un estado sólido y uno líquido es pequeña, entonces la temperatura requerida para una transición de fase es bastante alta para dicho material. Partiendo de esto, lograron seleccionar un material para el cual la diferencia de entropía es menor que la del inicial, y la temperatura de fusión, respectivamente, es mayor.

Las aleaciones de tantalio y hafnio se utilizan para fabricar piezas de tecnología de cohetes (boquillas, timones de gas) y electrodos para el corte de metales con aire y plasma y llama de oxígeno. Las características del material teóricamente predicho aún no se han aclarado en la práctica: propiedades como las propiedades mecánicas, la oxidabilidad, etc., no son menos importantes que el punto de fusión. Pero, como señala van de Veil, el trabajo sobre el cálculo teórico del punto de fusión es significativo en sí mismo, ya que es bastante difícil de calcular, en comparación con otras características de los materiales.

Source: https://habr.com/ru/post/es382409/