En cuanto un trozo de hierro se calienta, la disposición de sus átomos cambia varias veces antes de la fusión. Este comportamiento tan inusual es una de las razones de por qué el acero, en el que el hierro juega un papel protagonista, es tan fuerte y está omnipresente en todo, desde una tetera hasta los rascacielos.
Pero los detalles de cómo y por qué el hierro adquiere tantas formas diferentes han seguido siendo un misterio. Los recientes trabajos en Caltech, en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, proporcionan evidencias de cómo el magnetismo del hierro juega un papel en esta curiosa propiedad, un entendimiento que podría ayudar a los investigadores a desarrollar un acero mejor y más fuerte.
"Los seres humanos han estado trabajando con el hierro viejo regular durante miles de años, pero este asunto trata sobre su termodinámica que nadie ha entendido realmente", dice Brent Fultz y Stanley R. Rawn, Jr., profesor de Ciencia de Materiales y Física Aplicada.
Las leyes de la termodinámica gobiernan el comportamiento natural de los materiales, por ejemplo la temperatura a la que hierve el agua o el momento de las reacciones químicas. Estos mismos principios también determinan cómo están dispuestos los átomos en los sólidos, y en el caso del hierro, su naturaleza cambia varias veces a altas temperaturas. A temperatura ambiente, los átomos de hierro están dispuestos de una inusual y holgada manera; conforme el hierro se va calentando y pasa de los 912 ºC, los átomos se vuelven apretar unos con otros para después aflojar de nuevo a los 1.394 ºC, y por último, se funde a los 1.538 ºC.
El hierro es magnético a temperatura ambiente, y un trabajo previo predijo que el magnetismo de hierro favorece su estructura abierta a bajas temperaturas, pero a 770 ºC pierde su magnetismo. No obstante, el hierro mantiene su estructura abierta durante más de un centenar de grados más allá de esta transición magnética. Esto llevó a los investigadores a creer que debe haber algo más que contribuye a estas inusuales propiedades termodinámicas del hierro.
Para buscar este eslabón perdido, la graduada Lisa Mauger y sus colegas, necesitaron subir la temperatura. Los sólidos almacenan el calor como pequeñas vibraciones atómicas que crean desorden, o entropía. En altas temperaturas, la entropía domina la termodinámica, y las vibraciones atómicas son la mayor fuente de entropía en el hierro. Al estudiar cómo estas vibraciones cambian a medida que la temperatura sube y el magnetismo se pierde, los investigadores esperaban aprender más sobre lo que está impulsando estos reordenamientos estructurales.
"Los seres humanos han estado trabajando con el hierro viejo regular durante miles de años, pero este asunto trata sobre su termodinámica que nadie ha entendido realmente", dice Brent Fultz y Stanley R. Rawn, Jr., profesor de Ciencia de Materiales y Física Aplicada.
Las leyes de la termodinámica gobiernan el comportamiento natural de los materiales, por ejemplo la temperatura a la que hierve el agua o el momento de las reacciones químicas. Estos mismos principios también determinan cómo están dispuestos los átomos en los sólidos, y en el caso del hierro, su naturaleza cambia varias veces a altas temperaturas. A temperatura ambiente, los átomos de hierro están dispuestos de una inusual y holgada manera; conforme el hierro se va calentando y pasa de los 912 ºC, los átomos se vuelven apretar unos con otros para después aflojar de nuevo a los 1.394 ºC, y por último, se funde a los 1.538 ºC.
El hierro es magnético a temperatura ambiente, y un trabajo previo predijo que el magnetismo de hierro favorece su estructura abierta a bajas temperaturas, pero a 770 ºC pierde su magnetismo. No obstante, el hierro mantiene su estructura abierta durante más de un centenar de grados más allá de esta transición magnética. Esto llevó a los investigadores a creer que debe haber algo más que contribuye a estas inusuales propiedades termodinámicas del hierro.
Para buscar este eslabón perdido, la graduada Lisa Mauger y sus colegas, necesitaron subir la temperatura. Los sólidos almacenan el calor como pequeñas vibraciones atómicas que crean desorden, o entropía. En altas temperaturas, la entropía domina la termodinámica, y las vibraciones atómicas son la mayor fuente de entropía en el hierro. Al estudiar cómo estas vibraciones cambian a medida que la temperatura sube y el magnetismo se pierde, los investigadores esperaban aprender más sobre lo que está impulsando estos reordenamientos estructurales.
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| uno de los modos vibraciones atómicos |
Para ello, el equipo tomó sus muestras de hierro en la alta presión del Collaborative Access Team beamline del Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional de Argonne, Illinois. Esta instalación de sincrotrón produce intensos destellos de rayos X que pueden ser ajustados para detectar las vibraciones atómicas de las partículas cuánticas, llamadas excitaciones fonon, en el hierro.
Cuando se emparejan estas mediciones vibracionales con los datos previamente conocidos sobre el comportamiento magnético del hierro a estas temperaturas, descubrieron que la entropía vibracional del hierro era mucho más grande de lo sospechado inicialmente. De hecho, el exceso era similar a la contribución entrópica del magnetismo, lo que sugiere que el magnetismo y vibraciones atómicas interactúan sinérgicamente a temperaturas moderadas. Este exceso de entropía aumenta la estabilidad de la estructura abierta del hierro, incluso cuando la muestra se calientan más allá de la transición magnética.
Esta técnica permitió concluir, de forma experimental y, por primera vez, que los magnones --cuasipartículas cuánticas de spin electrónico (magnetismo)-- y los fonones, interactúan para aumentar la estabilidad del hierro en altas temperaturas.
Dado que el grupo de Caltech emparejó las mediciones con los cálculos teóricos que simultáneamente estaban siendo desarrollando por sus colaboradores en el laboratorio de Jörg Neugebauer en el Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE), los resultados de Mauger también contribuyeron a la validación de un nuevo modelo computacional.
"Durante mucho tiempo se ha especulado que la estabilidad estructural del hierro está fuertemente relacionada con un acoplamiento inherente entre el magnetismo y el movimiento atómico", reseñaba Fritz Körmann, becario postdoctoral en MPIE y primer autor en el estudio computacional. "En realidad la búsqueda de este acoplamiento, los datos de nuestros colegas experimentales y nuestros propios resultados computacionales, están en un excelente acuerdo, fue de hecho un momento emocionante."
"Sólo mediante la combinación de los métodos y conocimientos de diversos campos científicos, como la mecánica cuántica, la mecánica estadística y la termodinámica, y mediante el uso de supercomputadoras increíblemente poderosas, se hizo posible describir los complejos fenómenos dinámicos que tienen lugar en el interior de uno de los materiales estructurales, tecnológicamente más utilizados", explicó Neugebauer. "La visión que acabamos de adquirir sobre cómo se lleva a cabo la estabilidad termodinámica en el hierro ayudará a crear nuevos diseños de aceros más sistemáticos."
Durante miles de años, los metalúrgicos han estado trabajando para hacer unos aceros más fuertes de la misma manera que se han ido probando tantas cosas en el mundo, por ensayo y error. El acero comienza con una base de ingredientes estándar de hierro y mucho carbono, y la receta va personalizando las propiedades del acero conforme se añaden cantidades variables de otros elementos, como el cromo y el níquel.
Con un mejor modelo computacional para la termodinámica del hierro a temperaturas diferentes, y el tener en cuenta los efectos tanto magnéticos como de vibraciones atómicas, los metalúrgicos serán capaces ahora de predecir con mayor precisión las propiedades termodinámicas de las aleaciones de hierro, conforme van alterando sus recetas.
Cuando se emparejan estas mediciones vibracionales con los datos previamente conocidos sobre el comportamiento magnético del hierro a estas temperaturas, descubrieron que la entropía vibracional del hierro era mucho más grande de lo sospechado inicialmente. De hecho, el exceso era similar a la contribución entrópica del magnetismo, lo que sugiere que el magnetismo y vibraciones atómicas interactúan sinérgicamente a temperaturas moderadas. Este exceso de entropía aumenta la estabilidad de la estructura abierta del hierro, incluso cuando la muestra se calientan más allá de la transición magnética.
Esta técnica permitió concluir, de forma experimental y, por primera vez, que los magnones --cuasipartículas cuánticas de spin electrónico (magnetismo)-- y los fonones, interactúan para aumentar la estabilidad del hierro en altas temperaturas.
Dado que el grupo de Caltech emparejó las mediciones con los cálculos teóricos que simultáneamente estaban siendo desarrollando por sus colaboradores en el laboratorio de Jörg Neugebauer en el Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE), los resultados de Mauger también contribuyeron a la validación de un nuevo modelo computacional.
"Durante mucho tiempo se ha especulado que la estabilidad estructural del hierro está fuertemente relacionada con un acoplamiento inherente entre el magnetismo y el movimiento atómico", reseñaba Fritz Körmann, becario postdoctoral en MPIE y primer autor en el estudio computacional. "En realidad la búsqueda de este acoplamiento, los datos de nuestros colegas experimentales y nuestros propios resultados computacionales, están en un excelente acuerdo, fue de hecho un momento emocionante."
"Sólo mediante la combinación de los métodos y conocimientos de diversos campos científicos, como la mecánica cuántica, la mecánica estadística y la termodinámica, y mediante el uso de supercomputadoras increíblemente poderosas, se hizo posible describir los complejos fenómenos dinámicos que tienen lugar en el interior de uno de los materiales estructurales, tecnológicamente más utilizados", explicó Neugebauer. "La visión que acabamos de adquirir sobre cómo se lleva a cabo la estabilidad termodinámica en el hierro ayudará a crear nuevos diseños de aceros más sistemáticos."
Durante miles de años, los metalúrgicos han estado trabajando para hacer unos aceros más fuertes de la misma manera que se han ido probando tantas cosas en el mundo, por ensayo y error. El acero comienza con una base de ingredientes estándar de hierro y mucho carbono, y la receta va personalizando las propiedades del acero conforme se añaden cantidades variables de otros elementos, como el cromo y el níquel.
Con un mejor modelo computacional para la termodinámica del hierro a temperaturas diferentes, y el tener en cuenta los efectos tanto magnéticos como de vibraciones atómicas, los metalúrgicos serán capaces ahora de predecir con mayor precisión las propiedades termodinámicas de las aleaciones de hierro, conforme van alterando sus recetas.
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- Fuente: California Institute of Technology .
- Publicaciones: The experimental work was published in a paper titled "Nonharmonic Phonons in α-Iron at High Temperatures," in the journal Physical Review B. In addition to Fultz and first author Mauger, other Caltech coauthors include Jorge Alberto Muñoz (PhD '13) and graduate student Sally June Tracy.
The computational paper, "Temperature Dependent Magnon-Phonon Coupling in bcc Fe from Theory and Experiment," was coauthored by Fultz and Mauger, led by researchers at the Max Planck Institute, and published in thejournal Physical Review Letters.
- Imagen.1. Fundición de hierro. imagen anónima.
- Imagen.2. Uno de los posibles modos de vibración de un tambor circular (ver otros modos). Wikipedia.
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- Publicaciones: The experimental work was published in a paper titled "Nonharmonic Phonons in α-Iron at High Temperatures," in the journal Physical Review B. In addition to Fultz and first author Mauger, other Caltech coauthors include Jorge Alberto Muñoz (PhD '13) and graduate student Sally June Tracy.
The computational paper, "Temperature Dependent Magnon-Phonon Coupling in bcc Fe from Theory and Experiment," was coauthored by Fultz and Mauger, led by researchers at the Max Planck Institute, and published in thejournal Physical Review Letters.
- Imagen.1. Fundición de hierro. imagen anónima.
- Imagen.2. Uno de los posibles modos de vibración de un tambor circular (ver otros modos). Wikipedia.
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