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Pesquisadores da Brown University prevêem material com
ponto de fixação de registro de fusão muito acima do conhecido.
Usando computadores avançados e uma técnica computacional para simular os processos físicos , em nível atômico ,
pesquisadores da Universidade de Brown ter previsto que
um material feito a partir de háfnio , nitrogênio e carbono
teria o ponto de fusão mais alto conhecido , cerca de dois
terços da temperatura na superfície do sol.
Lidar com o calor
Os compostos feitos de háfnio e carbono têm alguns dos pontos de fusão mais alto conhecidos . Utilizando simulações de computador , engenheiros Brown University prever que um material feito com háfnio , azoto , carbono e terão um ponto de fusão mais elevado do que qualquer material conhecido .
Image: Van de Walle laboratório / Brown University
PROVIDENCE, RI [Brown University] - Usando simulações
de computador poderosos, pesquisadores da Universidade
de Brown identificaram um material com um ponto de fusão mais alto do que qualquer substância conhecida.
Os cálculos, descritas na revista Physical Review B (Rapid Communications), mostraram que um material feito com
apenas as quantidades corretas de háfnio, nitrogênio e
carbono teria um ponto de mais de 4.400 graus Kelvin
(7.460 graus Fahrenheit) de fusão. Isso é cerca de dois
terços da temperatura na superfície do sol, e 200 kelvins
superior ao mais alto ponto de fusão já registrado
experimentalmente.
O recordista experimental é uma substância feita a partir de elementos do háfnio, tântalo, e carbono (HF-Ta-C). Mas estes novos cálculos sugerem que uma composição ótima de
háfnio, nitrogênio e carbono - HfN0.38C0.51 - é um
candidato promissor para definir uma nova marca.
O próximo passo, que os investigadores estão a realizar
agora, é sintetizar o material e corroboram os achados no
laboratório.
"A vantagem de começar com a abordagem computacional é que podemos tentar lotes de diferentes combinações muito barata e encontrar aqueles que talvez valesse a pena experimentar com no laboratório", disse Axel van de Walle, professor associado de engenharia e co-autor do estudo com pós-pesquisador Qijun Hong. "Caso contrário, apenas estaria atirando no escuro. Agora sabemos que temos algo que vale a pena tentar. "
Os pesquisadores usaram uma técnica computacional que
deduz pontos de fusão através da simulação de processos
físicos, em nível atômico, seguindo a lei da mecânica
quântica. A técnica analisa a dinâmica da fusão à medida
que ocorrem em escala nanométrica, em blocos de 100 ou mais átomos. É mais eficiente do que os métodos
tradicionais, mas ainda computacionalmente exigente devido ao grande número de compostos para testar potenciais.
O trabalho foi feito usando rede de computadores XSEDE
da Fundação Nacional de Ciência e cluster de
computadores de alto desempenho "Oscar" de Brown.
Van de Walle e Hong iniciado pela análise do material
Hf-Ta-C para o qual o ponto de fusão tinha já sido
determinada experimentalmente. A simulação foi capaz de
elucidar alguns dos factores que contribuem para a
tolerância notável de calor do material.
O trabalho mostrou que a IC-Ta-C combinado um elevado
calor de fusão (a energia liberada ou absorvida quando ele
faz a transição de sólido para líquido) com uma pequena
diferença entre as entropias (desordem) das fases sólida e
líquida. "O que faz algo de fusão é a entropia adquirida com o processo de transformação de fase", explicou van de
Walle. "Portanto, se a entropia do sólido já é muito elevada, que tende a estabilizar o sólido e aumentar o ponto de
fusão".
Axel van de Walle
"A vantagem de começar com a abordagem computacional é que podemos tentar lotes de diferentes combinações muito barata e encontrar aqueles que talvez valesse a pena experimentar com no laboratório."
Os pesquisadores então usaram essas conclusões para
procurar compostos que podem maximizar essas
propriedades. Eles descobriram que um composto com
háfnio, azoto, carbono e teria um igualmente elevado calor
de fusão mas a diferença menor entre as entropias do sólido e do líquido. Quando calculado o ponto de fusão usando
sua abordagem computacional, ele saiu 200 kelvins mais
elevados do que o recorde experimental.
Van de Walle e Hong estão agora a colaborar com o
laboratório de Alexandra Navrotsky na Universidade da
Califórnia-Davis para sintetizar o composto e realizar os
experimentos ponto de fusão. O laboratório de Navrotksy
está equipado para tais experiências de alta temperatura.
O trabalho poderia finalmente apontam para novos materiai de alto desempenho para uma variedade de usos, de
chapeamento para turbinas a gás para aquecer escudos
em aeronaves de alta velocidade. Mas se o composto
HfN0.38C0.51 em si será um material útil não é clara, diz
Van de Walle.
"Ponto de fusão não é a única propriedade que é importante [em aplicações de materiais]", disse ele. "Você precisaria
considerar as coisas como propriedades mecânicas e
resistência à oxidação e todos os tipos de outras
propriedades. Assim, tendo em conta as coisas que você
pode querer misturar outras coisas com este que pode
reduzir o ponto de fusão. Mas desde que você já está
começando tão alto, você tem mais liberdade para ajustar
outras propriedades. Então eu acho que isso dá às pessoas uma idéia do que pode ser feito. "
O trabalho também demonstra o poder desta técnica relativamente nova computacional, diz Van de Walle. Nos últimos
anos, o interesse no uso de computação para explorar as
propriedades do material de um grande número de
compostos candidatos tem aumentado, mas muito mais do
que o trabalho tem-se concentrado em propriedades que
são muito mais fáceis para calcular do que o ponto de fusão.
" Ponto de fusão é um problema previsão realmente difícil
em comparação com o que foi feito antes", disse van de
Walle . " Para a comunidade de modelagem , eu acho que
isso é o que é especial sobre isso. "
O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Naval
( N00014-12-1-0196 e N00014-14-1-0055 ) e pela
Universidade de Brown através do uso das facilidades para
seu Centro de Computação e Visualização . O extremo
Ciência e Engenharia de Descoberta Ambiente ( XSEDE ) ,
que foi usado neste estudo , é apoiado pela National
Science Foundation , Grant No. ACI - 1.053.575 .
Fontes:
J.A.
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