Las simulaciones por ordenador de gran alcance han identificado un material con un punto más alto que cualquier sustancia conocida de fusión.

Los cálculos muestran que un material hecho con la cantidad correcta de hafnio, nitrógeno y carbono tendría un punto de más de 4400 Kelvin de fusión.



Esto es cerca de dos tercios de la temperatura en la superficie del Sol y 200 Kelvin por encima del punto de la más alta jamás registrada experimental de fusión.

El titular de la ficha es una sustancia experimental hecha de los elementos de hafnio, tántalo, y carbono. Pero estos nuevos cálculos sugieren que una composición óptima de óxido de hafnio y carbono-HfN0.38C0.51-es un candidato prometedor para establecer una nueva marca.

El siguiente paso, los investigadores se están embarcando en ahora, es sintetizar el material, y corroborar los resultados en el laboratorio. Dice Axel van de Walle, profesor asociado de ingeniería en la Universidad de Brown y co-autor del estudio con el investigador postdoctoral Hong Qijun:

"La ventaja de comenzar con el enfoque computacional es que podemos probar un montón de diferentes combinaciones muy barato y encuentre las que podrían valer la pena probar en el laboratorio. De lo contrario, sólo estaríamos rodando en la oscuridad. Ahora sabemos que tenemos algo vale la pena intentarlo ".

100 átomos en un momento

Los investigadores utilizaron una técnica computacional basado en puntos de fusión simular procesos físicos a nivel atómico, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica. La técnica examina la dinámica de la fusión en las que se producen en la nanoescala, en bloques de 100 o más átomos.

Es más eficiente que los métodos tradicionales, pero todavía computacionalmente difícil debido al gran número de compuestos potenciales para ser probado. El trabajo fue realizado usando XSEDE red informática de la Fundación Nacional de la Ciencia y el grupo "Oscar" de las computadoras de alto rendimiento Brown.

Van de Walle y Hong comenzaron a analizar el material Hf-Ta-C para el que el punto de fusión ya se había determinado experimentalmente. La simulación fue capaz de aclarar algunos de los factores que contribuyen a la tolerancia del material de alta temperatura.

El trabajo demostró que Hf-Ta-C combina con un alto calor de fusión de una pequeña diferencia entre las entropías de las fases sólida y líquida.

"Lo que hace que la entropía algo de fusión se obtiene en el proceso de transformación de fase", dice van de Walle. "Por lo tanto, si la entropía del sólido ya es muy alta, lo que tiende a estabilizar el sólido y aumentar el punto de fusión".

Luego, los investigadores utilizaron estos resultados para buscar compuestos que podrían maximizar estas propiedades. Ellos encontraron que un compuesto con hafnio, nitrógeno y carbono tendría un igualmente alto calor de fusión, pero una diferencia menor entre las entropías de el sólido y el líquido.

Cuando calcularon el punto de fusión con su enfoque computacional, salió 200 Kelvin más alta que el registro experimental.

Van de Walle y Hong ahora están colaborando con el laboratorio de Alexandra Navrotsky en la Universidad de California, Davis, para sintetizar el compuesto y llevar a cabo experimentos punto de fusión. Laboratorio Navrotksy está equipado para tales experimentos a alta temperatura.

Los usos potenciales?

El trabajo podría apuntar hacia nuevos materiales con un alto rendimiento para una variedad de usos, en placas para turbinas de gas para calentar escudos en los aviones de alta velocidad. Pero si el propio compuesto HfN0.38C0.51 será un material útil es poco clara, dice van de Walle.

"Punto de fusión no es la única propiedad que es importante", dice. "Usted tendría que considerar las cosas como las propiedades mecánicas y resistencia a la oxidación y todo tipo de otras propiedades. Por lo tanto, teniendo en cuenta estas cosas que usted puede desear para mezclar con otras cosas que podría bajar el punto de fusión. Pero puesto que ya está empezando tan alto, usted tiene más flexibilidad para cambiar otras propiedades. Así que creo que esto da a la gente una idea de lo que puede hacer ".

El trabajo también demuestra el poder de esta técnica relativamente nueva de cálculo, dice van de Walle. En los últimos años, se aumentó el interés en el uso de cálculos para explorar las propiedades del material de un gran número de compuestos candidatos, pero gran parte de que el trabajo se ha centrado en las propiedades que son mucho más fácil de calcular que el punto de fusión.

"Punto de fusión es un muy duro problema de la predicción de lo que se ha hecho antes", dice van de Walle. "Para la comunidad de modelado, creo que eso es lo que es especial acerca de esto."

Qi-Jun Hong y Axel van de Walle
Material de Predicción con cálculos de punto de fusión más alto conocido por ab initio de dinámica molecular
Phys. Rev. B 92, 020104 - Publicado 20 de julio 2015