Perché alcune leghe non si espandono quando riscaldate?

Aug 18, 2023

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Un nuovo studio condotto da ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) ha scoperto il motivo per cui alcune leghe metalliche non si espandono quando si surriscaldano. A temperature più elevate, le proprietà magnetiche intrinseche delle cosiddette leghe Invar possono causare una contrazione appena sufficiente ad annullare qualsiasi espansione termica prevista. I risultati della ricerca sono pubblicati sulla rivista Nature Physics.

L'espansione termica si verifica quando un materiale assorbe calore, facendo vibrare più forte i suoi atomi e allontanandoli da quelli vicini. Di conseguenza, il materiale diventa meno denso e aumenta leggermente di dimensioni.

Questi movimenti su scala atomica potrebbero non sembrare grandi, ma i conti si sommano: la Torre Eiffel può espandersi fino a 15 centimetri durante i giorni più caldi di Parigi.

Anche se questo rende divertente un'attrazione turistica, l'espansione termica può significare un disastro quando il metallo è necessario per applicazioni di alta precisione. Nessuno vuole che un telescopio o un orologio da polso finemente calibrato si gonfi e smetta di funzionare.

"È quasi raro trovare metalli che non si espandono", afferma Stefan Lohaus, studente laureato in scienza dei materiali e autore principale del nuovo articolo. "Ma nel 1895, un fisico scoprì per caso che se si combinano ferro e nichel, ciascuno dei quali ha un'espansione termica positiva, in una certa proporzione, si ottiene questo materiale con un comportamento molto insolito."

Questa lega di nichel-ferro è conosciuta come Invar, nome che deriva dalla parola invariabile, in riferimento alla sua resistenza al cambiamento.

Storicamente, i ricercatori hanno sospettato che questa insolita resistenza all'espansione termica potesse avere qualcosa a che fare con le proprietà magnetiche del metallo, poiché è stato osservato che solo le leghe ferromagnetiche (in grado di essere magnetizzate) agiscono come Invar.

"Abbiamo deciso di esaminarlo perché disponiamo di un apparato sperimentale molto accurato in grado di misurare sia il magnetismo che le vibrazioni atomiche", afferma Lohaus. "Era un sistema perfetto per questo."

Utilizzando un sincrotrone presso l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory, i ricercatori hanno effettuato misurazioni degli spettri vibrazionali e del magnetismo di piccoli campioni di Invar.

I pezzi di Invar sono stati mantenuti sotto pressione in una cella a incudine di diamante, una configurazione in cui due punte di diamante macinate con precisione si sovrappongono e comprimono saldamente il campione. Qui la lega Invar è stata compressa ad una pressione di 200.000 atmosfere prima che fasci di potenti raggi X venissero esplosi sulla lega, dove interagiscono con le vibrazioni degli atomi del campione. Misurando i cambiamenti nella quantità di energia trasportata dai raggi X, gli scienziati possono dedurre quanto vibrano gli atomi nel campione.

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I ricercatori hanno anche posizionato sensori attorno alle cellule dell’incudine del diamante in grado di rilevare modelli di interferenza creati dallo stato di spin degli elettroni nel campione. Questo è fondamentale, poiché le proprietà magnetiche di un materiale ferromagnetico sono causate dallo stato di spin dei suoi elettroni – che può essere pensato come una sorta di misura quantistica per il momento angolare, con gli spin normalmente definiti “su” o “giù”. In un metallo ferromagnetico, questi spin si allineeranno in parallelo tra loro per formare “domini” magnetici con la stessa direzione di rotazione.

Con questa configurazione, i ricercatori hanno esaminato lo stato di spin degli elettroni in un campione Invar, nonché le sue vibrazioni atomiche, mentre aumentavano la temperatura del campione.

A temperature fredde, più elettroni dell'Invar condividevano lo stesso stato di spin, provocando un allontanamento degli elettroni. Ciò spinge i loro atomi genitori più distanti, consentendo quindi l’espansione termica.