Material que se vuelve menos denso cuando se aplica presión

Question

¿Es posible que un material se vuelva menos denso a medida que se aplica más presión, sin una transición de fase?

Mi pensamiento inicial de profano es no porque me parece que "densidad" es una forma de "presión" dentro de un material (sé que esto es cierto al menos para los gases). Sin embargo, algunos materiales exhiben propiedades no intuitivas, como volvernos menos densos al solidificar. En el caso específico del agua, a algunas temperaturas, aumentar la presión sobre el agua la convierte en sólido. Otras propiedades no intuitivas de los materiales incluyen que el agua (una vez más) se vuelve menos densa a medida que la temperatura desciende por debajo de los 4 °, y los fluidos que pierden viscosidad bajo presión aumentada. Así que tal vez haya química para un material que se expande (se vuelve menos denso) al aplicar presión.

Para ser claro, esta pregunta se puede formular como: ¿Existe algún material que se expanda al aplicarle presión?

Answer 1

Convertirse menos denso con la presión es una cualidad que produce energía; al conservarse la masa, el volumen debe aumentar a medida que la presión aumenta para que la densidad (masa/volumen) tenga esa respuesta. Por lo tanto, diría que el fulminato de mercurio se ajusta a la descripción; explota cuando se comprime. Lo hace una vez, por supuesto, y uno podría no querer estar presente en tal evento.

Answer 2

Es imposible tener una sustancia termodinámicamente estable de manera homogénea en la cual la presión aumenta junto con el volumen. Si esto sucede, entonces el material puede reducir su energía encogiéndose por un lado y expandiéndose por el otro (asumiendo entropía constante). Esta inestabilidad es exactamente la razón por la cual la ecuación del gas Van der Waals experimenta separación de fases líquido-gas.

Algunos materiales, sin embargo, pueden mostrar una disminución de la tensión si se estiran más allá de cierto límite. Esto resulta en efectos como el cuello de botella y el abotonado (puedes ver varios ejemplos en el artículo Cuello de botella, abotonado y abombamiento en cilindro elástico blando). No estoy seguro de un ejemplo similar para presión positiva, pero no me sorprendería si dicho material existiera. Algunas esponjas, cuando se intenta apretarlas por los lados, en lugar de deformarse uniformemente, primero se comprimen en la superficie, mientras que el interior permanece en gran medida sin deformar. Este comportamiento es un indicador de la inestabilidad resultante de que la tensión disminuye a medida que aumenta la deformación.

Answer 3

¿Es posible que un material se vuelva menos denso a medida que se aplica más presión sin una transición de fase?

La respuesta a esto es SÍ, es posible, y esta es un área activa de investigación. Usted puede tener un material que se vuelva menos denso cuando lo comprime con sus propias manos.

Puede pensar en construir metamateriales con esta propiedad (Vea este artículo). Este material tipo panal de abeja, por ejemplo, se vuelve menos denso si se aplica presión en una dirección específica. El material es hueco, y los lados de los hexágonos son flexibles.

Antes de aplicar presión (más pequeño, más denso)

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Después de aplicar presión (más grande, menos denso)

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Debe tener en cuenta que esto es solo una sección 2-D del material, y si puede imaginar una pila de tales secciones, tendría un material real en 3-D.

Answer 4

La densidad es masa/volumen. La única forma de volverse menos denso sin perder masa es aumentar el volumen.

Por lo tanto, lo que estás preguntando es

• "¿Existe un material que se agrande cuando se aplica presión?".
• "¿Existe un material que pierda masa cuando se aplica presión?".

Esto no es imposible en principio.

• Para lo primero, los explosivos de alta densidad (HE) con un interruptor sensible a la presión podrían hacerlo.
• Para lo segundo, apretar una esponja llena de agua podría funcionar.

En cualquier caso, estos no son materiales "simples" con interacciones "simples". El problema realmente no es que no se pueda hacer, sino que hay tantas formas de hacerlo, y todas son diferentes.