Novo material se contrai quando aquecido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2004

Expansão térmica negativa

A maioria dos sólidos se expande quando aquecidos, um fenômeno familiar com muitas implicações práticas. Mas mesmo essa regra tem exceções. A principal delas é um composto chamado tungstato de zircônio, uma mistura de zircônio e tungstênio, que apresenta um efeito chamado expansão térmica negativa.

Enquanto os engenheiros trabalham duro para explorar as aplicações práticas do fenômeno, em áreas que vão da eletrônica até materiais para dentistas, os físicos até agora se debatiam sem saber como explicar porque o composto tem um comportamento tão esquisito que seu nome até parece coisa comum.

O que chama a atenção nesse comportamento anômalo é que, no tungstato de zircônio, ele acontece em uma ampla faixa de temperaturas e de maneira uniforme em todas as direções. A água em ponto de ebulição e até congelada também apresenta o fenômeno, mas de forma tão sutil e numa faixa de temperatura tão estreita, de frações de grau, que não gera interesse prático.

Frustração geométrica

Agora, pesquisadores de várias universidades norte-americanas, trabalhando conjuntamente, acreditam ter encontrado a resposta para a questão.

"Nós mostramos que a combinação de frustração geométrica e movimentos atômicos incomuns são importantes para a expansão termal negativa do tungstato de zircônio," explica o professor Zack Schlesinger, da Universidade da Califórnia.

Frustração geométrica soa como algo que um estudante de matemática do colegial possa sentir, mas, na verdade, esta é uma rica área de pesquisa na Física e na Ciência dos Materiais. Em termos simples, a frustração geométrica é como tentar cobrir um piso com pentágonos - os desenhos não se encaixam.

No caso do tungstato de zircônio, a frustração geométrica acontece quando variações de temperatura causam certas vibrações da estrutura cristalina do material - a configuração de ligações atômicas que mantém unidos os átomos de um cristal.

A expansão termal tradicional dos sólidos resulta de alterações nos movimentos atômicos que causam essas vibrações estruturais. Como o aquecimento adiciona energia cinética ao sistema, a estrutura cristalina se expande - na maioria dos sólidos - para acomodar os movimentos atômicos que estão recebendo um incremento de energia.

Modos de vibração

Para estudar os movimentos atômicos envolvidos nas vibrações estruturais, os físicos separam as vibrações em "modos" discretos, ou tipos de vibrações. Na investigação do tungstato de zircônio, Schlesinger e seus colegas encontraram evidência de um modo rotacional ("girante") que, devido à frustração geométrica, ocorre junto com um modo translacional ("prá frente e prá trás").

A mistura desses movimentos rotacionais e translacionais tem o efeito de manter toda a estrutura coesa quando o calor injeta mais energia nas vibrações.

Em outros materiais que apresentam expansão termal negativa, os modos vibracionais que mantêm o sólido coeso criam instabilidades que eventualmente levam a rearranjos na estrutura atômica. Como resultado, a expansão termal negativa somente ocorre em uma estreita faixa de temperatura. No tungstato de zircônio, entretanto, a frustração geométrica parece bloquear qualquer instabilidade. Ao menos, é isso o que os cientistas acreditam.

"Entender um sistema complexo como esse não é algo trivial. Você tem que quebrá-lo em todos os seus diversos componentes de movimentação atômica, e nosso trabalho está tendo progressos nessa direção," afirmou o professor Schlesinger. "[Nosso trabalho] envolve tanto análise matemática quanto medições experimentais e, em última instância, você terá que ser capaz de visualizar 'a coisa'".

Interesse teórico e prático

Os experimentos propriamente ditos são relativamente simples, afirmou o professor. Eles envolvem iluminar o material com luz infravermelha e medir a refletividade, a qual pode ser matematicamente transformada em condutividade ótica. Essas medições revelam as freqüências da luz que são absorvidas pela interação com as vibrações estruturais. A seguir os pesquisadores analisam como essas medidas variam com a temperatura.

Schlesinger afirmou que as descobertas têm tanto interesse teórico quanto prático. No lado da Física pura, ela fornece um novo e incomum exemplo de frustração geométrica, que geralmente é estudada no campo do magnetismo e de sistemas desordenados. O tungstato de zircônio não é desordenado, sendo, na verdade, um cristal estoiquiomético perfeito.

No lado prático, a expansão termal é um grande problema em várias áreas. Os dentistas, por exemplo, conhecem a questão como o "problema do chá com sorvete", que causa quebras nos materiais utilizados em obturações e restaurações devido a variações bruscas de temperatura.

Os engenheiros que trabalham desde a microeletrônica até motores de alto desempenho devem também lidar sempre com a expansão termal. Um material que não se expanda ou contraia com a variação da temperatura poderá ter uma ampla gama de aplicações.

"Se você criar o mix adequado de materiais para neutralizar a expansão termal, isso será um avanço tecnológico muito significativo," afirma Schlesinger.

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