Un estudi de la Universitat de València contribueix a caracteritzar la fusió de metalls
Identificar la corba de fusió d’un material dens és un desafiament per a la ciència. Investigadors de l’Institut de Ciència dels Materials (ICMUV) de la Universitat de València han determinat la relació entre la temperatura de fusió de Niobi (Nb) i la pressió aplicada. L’estudi apareix publicat en la revista Nature Communications Materials.
En els últims anys, s’ha dedicat un gran esforç a l’estudi de la corba de fusió d’elements a alta pressió. Aquesta informació és rellevant, per exemple, per a aplicacions com els reactors de fissió nuclear que involucren molt altes temperatures o molt altes pressions. O per a aprofundir en el coneixement de l’interior dels planetes. Entendre què li ocorre al Ferro –i als altres metalls de transició, com ara el Niobi– a l’interior de la Terra és fonamental per a qualsevol model geofísic i obri les portes a un model global més precís per a l’estudi de l’interior dels planetes.
No obstant això, la fusió continua sent una transició de fase difícil de caracteritzar fins i tot amb els mètodes teòrics i experimentals més avançats. En el vessant experimental, aconseguir i mesurar pressions de milions d’atmosferes i temperatures de milers de graus és molt complicat. D’altra banda, aconseguir i identificar quan fon un material dens també és un desafiament.
L’estudi del Niobi sota alta pressió i temperatura exemplifica els esforços i problemes en la determinació de les corbes de fusió de metalls. Un equip internacional (Espanya, EUA, Regne Unit i França) liderat per l’ICMUV i encapçalat per l’investigador Daniel Errandonea (Departament de Física Aplicada-ICMUV) ha aconseguit importants avanços en la caracterització del Niobi fins a pressions de 130 GPa (1.3 milions d’atmosferes) i 5500 graus Kelvin. El grup de la Universitat de València, format també per David Santamaría-Pérez –investigador Ramón y Cajal– ha aconseguit, al costat dels seus socis, determinar com la temperatura de fusió d’aquest metall depén de la pressió aplicada.
Els estudis es van realitzar comprimint una mostra de Niobi de grandària microscòpica entre dos diamants i calfant-la simultàniament mitjançant l’ús de làsers infrarojos d’alta potència. Per a caracteritzar el comportament del Niobi sota pressió i temperatura es va emprar una nova metodologia basada en una caracterització resolta en temps per mitjà de difracció de raigs X d’alta intensitat, generats per la font de radiació sincrotró de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) situat a França. Aquests resultats es van combinar amb resultats provinents d’experiments d’ones de xoc, creades per l’impacte d’un projectil en la mostra, i amb simulacions computacionals emprant la teoria del funcional de la densitat (un procediment variacional alternatiu a la solució de l’equació de Schrödinger) realitzats en els supercomputadors de Los Alamos National Laboratory, un laboratori del Departament d’Energia dels Estats Units, administrat per la Universitat de Califòrnia. L’estudi ha sigut publicat en la revista Nature Communications Materials.
Per la part espanyola, el projecte compta amb finançament de MINECO i de la Generalitat Valenciana (Prometeu EFIMAT).
Referència: Experimental and theoretical confirmation of anorthorhombic phase transition in niobium at high pressure and temperature. Daniel Errandonea, Leonid Burakovsky, Dean L. Preston, Simon G. MacLeod ,David Santamaría-Perez, Shaoping Chen, Hyunchae Cynn, Sergey I. Simak, Malcolm I. McMahon,John E. Proctor & Mohamed Mezouar