Comportamento estranho: pesquisa mostra como incrível material encolhe com o calor

A maioria dos materiais dilata com o calor. Mas alguns materiais encolhem ao serem aquecidos. Por quê?

taniager

07 Novembro 2011 | 14h01

O calor faz os átomos de ScF3 vibrarem, como capturado nesse instantâneo de uma simulação. Átomos de flúor estão em verde enquanto os átomos de escândio estão em amarelo. Crédito:  Caltech/C. Li et al.

O calor faz os átomos de ScF3 vibrarem, como capturado nesse instantâneo de uma simulação. Átomos de flúor estão em verde enquanto os átomos de escândio estão em amarelo. Crédito: Caltech/C. Li et al.

A maioria dos materiais dilata quando aquecida. A explicação para este fenômeno está no fato de que o calor provoca vibração da estrutura atômica, deslocando os átomos para mais longe um do outro. No entanto, alguns materiais encolhem quando são aquecidos. Por quê?

A resposta pode estar vinculada à descoberta de uma equipe de engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos EUA. O artigo do estudo, publicado na revista científica “Physical Review Letters” (PRL), explica como o escândio trifluoreto (ScF3) faz o truque.

O escândio trifluoreto possui uma estrutura cristalina relativamente simples, mas com expansão termal negativa – encolhe quando aquecido. Ao estudar este material, a equipe descobriu como as vibrações causam seu encolhimento.

Para entender como o material encolhe, basta imaginar a ligação entre os átomos de escândio e flúor como bolas ligadas por molas, sugerem os pesquisadores. Um átomo de flúor está ligado a dois átomos de escândio em lados opostos. Quando a temperatura é dobrada, os átomos vibram em muitas direções. Mas devido ao arranjo linear da molécula, o flúor (entre os dois átomos de escândio) vibra mais na direção perpendicular da linha. A cada chacoalhada, o flúor puxa os dois átomos de escândio em direção um ao outro. Consequentemente, toda a estrutura do material encolhe.

Segundo Brent Fultz, professor de ciência dos materiais e coautor do artigo com Chen Li, um oscilador quártico quântico quase puro nunca havia sido visto em vibrações atômicas em cristais. Ele explica que muitos materiais possuem um pouquinho de comportamento quártico, mas suas tendências quárticas são muito pequenas. No caso do ScF3, este comportamento é muito evidente. “Entender o comportamento do oscilador quártico poderia ajudar os engenheiros a projetarem materiais com propriedades termais inusitadas”, diz ele. Materiais que encolhem com o calor são largamente utilizados em engenhos mecânicos de precisão.