Una aleación que no se deforma con el calor

El misterio de un ingrediente mágico presente en las pantallas de televisión y en los buenos relojes de pulsera ha sido resuelto por investigadores del Laboratorio Nacional de Sandía, en California. Los científicos han logrado saber por qué las aleaciones Invar (de invariable) no se inmutan cuando sube la temperatura. La mayoría de los materiales cuando se calientan se expanden: los átomos se agitan con mayor energía y se separan. A veces es conveniente tener un material que ignora los cambios de temperatura, porque en algunas situaciones la expansión térmica puede tener graves consecuencias. Los mecanismos de los relojes son tan delicados que si el muelle se expande al calentarse en contacto con la muñeca se puede perder las exactitud. Cuando se sueldan las grandes placas de los cascos de los superpetroleros, su tamaño disminuye a medida que se enfrían, lo que puede dar lugar a tensiones peligrosas.

Níquel y hierro

Para resolver estos problemas se utiliza un material denominado Invar, una aleación de una parte de níquel por dos partes de hierro. Ya en 1897 el físico Charles Guillaume descubrió que este material tiene una expansión térmica muy pequeña, lo que le valió el premio Nobel en 1920. Aunque el Invar es parte de la vida cotidiana (también está en las máscaras de las pantallas de televisión para que no se mezclen los puntos de color), nadie entendía bien su comportamiento. Durante décadas, los físicos han sugerido que tenía que ver con el magnetismo. El Invar es un material magnético en el que todos sus átomos se comportan como diminutos imanes. Cada uno tiene su momento magnético, con su espín (orientación del campo magnético) en una dirección y sentido concretos.

En 1963, R. J. Weiss propuso que en Invar los átomos de hierro se comportan de forma diferente a los del hierro normal. Sus espines magnéticos pueden estar todos alineados (estado ferromagnético) o pueden tener sentidos opuestos de forma alternada, lo que es como si se cancelasen y da lugar a un menor volumen. Así que, según Weiss, la falta de expansión térmica real se debe a que, a medida que se calienta la aleación, el estado magnético de menor volumen cancela la tendencia habitual de los átomos a separarse.

Esto no explicaba toda la historia. Mark van Schilfgaarde y sus colegas de Sandia dicen en la revista Nature (1 de julio) que a baja temperatura el estado es el ferromagnético, y que cuando aumenta la temperatura se pasa a un estado en el que existe mucho desorden en las direcciones de los espines. A medida que se calienta el material , los espines se reorientan desde el estado alineado al desordenado, que en el Invar es de menor volumen, y compensan la expansión térmica.

© Nature News Service.