Cientistas que usam material de simulação em computador previram um ponto de fusão recorde

Cientistas de materiais da Brown University (Rhode Island, EUA), usando simulações em computador, calcularam que o material feito de háfnio, nitrogênio e carbono terá o ponto de fusão mais alto de todos os dias conhecido. Em seus cálculos, os cientistas usaram as leis da mecânica quântica.

O háfnio metálico foi descoberto no início do século XX. Ele próprio é refratário - seu ponto de fusão é de 2506 K. Embora seja menor que, digamos, o famoso tungstênio (3695 K), mas as ligas com a participação de carbono e háfnio têm recordes há muito estabelecidos para pontos de fusão.

Por exemplo, desde 1930, o carboneto de tântalo-háfnio (Ta ₄ HfC₅ ) - 4215 K. Mas o novo material hipotético vence esta competição com uma temperatura de pelo menos 4400 K. Isso é mais do que 3/4 da temperatura efetiva da superfície do Sol (5778 K). É verdade que tudo isso é apenas uma teoria até agora - ainda é necessário fabricar esse material e testá-lo em um forno muito, muito quente.

Mas o fato de que essas teorias podem ser calculadas em um computador é um grande passo adiante. “A vantagem da abordagem, na qual a pesquisa começa com simulações em computador, é que podemos testar muitas combinações diferentes sem o alto custo dos testes e encontrar imediatamente opções com as quais você deve experimentar em laboratório”, explica Axel van de Vale, assistente professores e co-autor do artigo. "Em uma situação normal, teríamos agido aleatoriamente - mas agora sabemos com o que experimentar".

Usando o supercomputador da National Science Foundation, os cientistas simularam processos físicos no nível atômico, simulando o comportamento de centenas de átomos, usando as leis da física quântica. Com base na estrutura do carboneto de tântalo-háfnio, os cientistas que usam cálculos computacionais descobriram exatamente quais fatores levam a um ponto de fusão tão alto.

Verificou-se que o carboneto de tântalo-háfnio combina um alto calor específico de fusão com uma pequena diferença na entropia entre as fases líquida e sólida. Como explica Van de Vale, quando um material derrete, sua entropia aumenta e se a diferença de entropia entre um estado sólido e um líquido é pequena, então a temperatura necessária para uma transição de fase é bastante alta para esse material. A partir disso, eles conseguiram selecionar um material para o qual a diferença na entropia é menor que a do inicial e a temperatura de fusão, respectivamente, é maior.

As ligas de tântalo e háfnio são usadas para fabricar peças de tecnologia de foguetes (bicos, lemes de gás) e eletrodos para corte de metais por plasma de ar e chama de oxigênio. As características do material previsto teoricamente ainda não foram esclarecidas na prática - propriedades como propriedades mecânicas, oxidabilidade e assim por diante, não são menos importantes que o ponto de fusão. Mas, como van de Veil aponta, o trabalho sobre o cálculo teórico do ponto de fusão é significativo por si só, uma vez que é bastante difícil de calcular, em comparação com outras características dos materiais.

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