Análisis de la estructura local y estudio de los posibles mecanismos que dan origen a la expansión térmica negativa en ZrW2O8 a partir de datos de EXAFS

Abstract

El tungstato de zirconio, ZrW2O8, es considerado uno de los compuestos modelo para el estudio de la expansión térmica negativa (NTE, por sus siglas en inglés – negative thermal expansion) en sólidos debido a que presenta este fenómeno en un amplio rango de temperaturas, desde un valor cercano a los 0.5K hasta su temperatura de descomposición, 1050K. Además, ningún otro material ha mostrado presentar este fenómeno de expansión térmica negativa sobre un rango de temperatura tan amplio. Los procesos que dan origen a tal comportamiento en este compuesto no están aún bien definidos y han generado controversia dentro de la comunidad científica. Este trabajo de investigación buscaba tener un mayor entendimiento de los mecanismos que dan origen a este fenómeno en el ZrW2O8 por medio de un estudio de la estructura local del material, obtenida a partir de medidas de absorción de rayos X en modo de transmisión para el ZrW2O8, en los bordes de energía K del Zr y LIII del W, por medio de la técnica XAFS (por sus siglas en inglés, X-ray Absorption Fine Structure) en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón, Campinas, SP, Brasil, a diversas temperaturas desde 20K hasta 973K. El estudio y análisis de los factores estructurales del compuesto por medio de los datos medidos permitió encontrar valores para los factores de Debye–Waller y las distancias interatómicas de los enlaces W–O, Zr–O y W–Zr, además de encontrar una primera aproximación a la forma del potencial efectivo para el compuesto e identificar cómo se acomodan las vibraciones de los átomos conforme aumenta la temperatura y así verificar los mecanismos que dan pie a la expansión térmica negativa en el compuesto. Entender estos mecanismos en el ZrW2O8 es muy importante ya que sus propiedades de NTE lo hacen potencialmente útil en el desarrollo de compuestos con propiedades térmicas adaptables requerimientos específicos, por ejemplo, ajustando el coeficiente de expansión térmica total de un compuesto a un valor determinado, como cero, de tal forma que se obtengan sistemas que resistan incrementos de temperatura sin perder su forma original.