Identificar la curva de fusión de un material denso es un desafío para la ciencia. Investigadores del Instituto de Ciencia de los Materiales (ICMUV) de la Universitat de València han determinado la relación entre la temperatura de fusión de Niobio (Nb) y la presión aplicada. El estudio aparece publicado en la revista Nature Communications Materials.
En los últimos años, se ha dedicado un gran esfuerzo al estudio de la curva de fusión de elementos a alta presión. Esta información es relevante, por ejemplo, para aplicaciones como los reactores de fisión nuclear que involucren muy altas temperaturas o muy altas presiones. O para profundizar en el conocimiento del interior de los planetas. Entender qué le ocurre al Hierro –y a los demás metales de transición, como el Niobio– en el interior de la Tierra es fundamental para cualquier modelo geofísico y abre las puertas a un modelo global más preciso para el estudio del interior de los planetas.
Sin embargo, la fusión sigue siendo una transición de fase difícil de caracterizar incluso con los métodos teóricos y experimentales más avanzados. En el lado experimental, alcanzar y medir presiones de varios millones de atmósferas y temperaturas de varios miles de grados es muy complicado. Por otra parte, alcanzar e identificar cuándo funde un material denso también es un desafío.
El estudio del Niobio bajo alta presión y temperatura ejemplifica los esfuerzos y problemas en la determinación de las curvas de fusión de metales. Un equipo internacional (España, EEUU, Reino Unido y Francia) liderado por el ICMUV y encabezado por el investigador Daniel Errandonea (Departamento de Física Aplicada-ICMUV) ha conseguido importantes avances en la caracterización del Niobio hasta presiones de 130 GPa (1.3 millones de atmosferas) y 5500 grados Kelvin. El grupo de la Universitat de València, formado también por David Santamaría-Pérez –investigador Ramón y Cajal– ha conseguido, junto a sus socios, determinar cómo la temperatura de fusión de este metal depende de la presión aplicada.
Los estudios se realizaron comprimiendo una muestra de Niobio de tamaño microscópico entre dos diamantes y calentándola simultáneamente mediante el empleo de láseres infrarrojos de alta potencia. Para caracterizar el comportamiento del Niobio bajo presión y temperatura se empleó una nueva metodología basada en una caracterización resuelta en tiempo por medio de difracción de rayos X de alta intensidad, generados por la fuente de radiación sincrotrón del European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) ubicado en Francia. Estos resultados se combinaron con resultados provenientes de experimentos de ondas de choque, creadas por el impacto de un proyectil en la muestra, y con simulaciones computacionales empleando la teoría del funcional de la densidad (un procedimiento variacional alternativo a la solución de la ecuación de Schrödinger) realizados en los supercomputadores de Los Alamos National Laboratory, un laboratorio del Departamento de Energía de los Estados Unidos, administrado por la Universidad de California. El estudio ha sido publicado en la revista Nature Communications Materials.
Por la parte española, el proyecto cuenta con financiación de MINECO y de la Generalitat Valenciana (Prometeo EFIMAT).
Referencia: 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