Американські фізики з Каліфорнійського технологічного інституту і Окріджській національної лабораторії розглянули структуру кубічного фториду скандію(III) ScF3, який стискається при нагріванні.
Система тетраедрів і октаэдров, утворених атомами в кристалі вольфрамату цирконію (ілюстрація з журналу Physical Review Letters).
Саме явище від’ємного теплового розширення (negative thermal expansion, NTE) вивчається вже досить довго. Найбільш відомим матеріалом з NTE вважають кубічний вольфрамат цирконію ZrW2O8, незвичайні властивості якого — здатність зменшуватися в об’ємі при нагріванні в дуже широкому (0,3–1 050 До) діапазоні температур — були виявлені ще в ХХ столітті. Моделі ZrW2O8 ґрунтуються на припущенні про те, що тетраедри і октаэдры в його атомарної структури при підвищенні температури залишаються незмінними, але зміщуються один відносно одного, зменшуючи загальний обсяг.
Структура фториду скандію(III). Зеленим позначені атоми фтору, жовтим — скандію. (Ілюстрація Caltech / C. Li et al.)
Матеріали зразок вольфрамату цирконію можна поєднувати з традиційними кристалами і використовувати, скажімо, при виготовленні деталей точних механічних пристроїв, складів для пломбування зубів або елементів оптичної системи телескопа, які повинні зберігати фіксований розмір у великому температурному інтервалі. Спочатку, втім, необхідно скласти теоретичний опис явища NTE, що у разі ZrW2O8 зробити складно: в елементарну комірку його решітки входять відразу 44 атома. Працювати з фторидом скандію(III), який, як було встановлено в минулому році, демонструє аномальне теплове розширення при температурі 10-1 100 До, набагато простіше, оскільки його елементарна комірка включає в себе всього чотири атома.
Досліджуючи NTE на прикладі ScF3, автори провели серію експериментів за методикою непружного розсіяння нейтронів в діапазоні температур від 7 до 750 К. Подібні вимірювання дозволяють оцінити резонансні частоти різних видів коливань атомів, які можна уявити собі у вигляді точкових мас, з’єднаних пружинами. «Коли ви нагріваєте тверде тіло, амплітуда коливань атомів збільшується, що зазвичай призводить до розширення матеріалу», — нагадує один з учасників дослідження Брент Фулц (Brent Fultz).
Як і слід було очікувати, практично всі резонанси зберігали своє становище при зміні температури. Один з них, однак, зсунувся в бік більш високих частот, що відповідає зростанню жорсткості умовних пружин, що з’єднують атоми.
Щоб розібратися в цьому, фізики виконали теоретичні розрахунки, які повинні були показати, як атоми в решітці ScF3 реагують на коливання з певною частотою. Найчастіше атоми випробовували дію повертає сили, пропорційної зміщення, і вели себе як гармонічні осцилятори з потенціалом, квадратично залежить від координати. Разом з тим залежність у певних випадках ставала биквадратичной, пояснюючи зростання «жорсткості пружин», спостережуваний а досвіді.
Незвичайний закон зміни потенціалу діяв для атомів F, що рухаються перпендикулярно напрямку своїх зв’язків. Ймовірно, цей ефект визначає властивості ScF3 і сприяє прояву NTE.
Моделювання коливань атомів в ScF3:
Повна версія звіту опублікована в журналі Physical Review Letters.
Підготовлено за матеріалами Каліфорнійського технологічного інституту.
