Негативне теплове розширення у порошкоподібної речовини з відносно простою кристалічною структурою

Більшість матеріалів, що розширюються при нагріванні, але існують кілька унікальних речовин, які ведуть себе по-іншому. Інженери Каліфорнійського технологічного інституту вперше з’ясували, яким чином один з цих цікавих матеріалів, трифторид скандію (ScF3), стискається при нагріванні.

Це відкриття приведе до більш глибокого розуміння поведінки всіх видів речовин, а також дозволить створювати нові матеріали з унікальними властивостями. Матеріали, які не розширюються при нагріванні, – не просто наукова дивина. Вони корисні в самих різних сферах, наприклад, у високоточних механізми зразок годин, які повинні зберігати високу точність ходу навіть при коливаннях температури.

Коли нагрівають тверді матеріали, більша частина тепла йде на коливання атомів. У звичайних матеріалах ці коливання «розсовують» атоми, в результаті чого матеріал розширюється. Проте деякі речовини мають унікальні кристалічні структури, які змушують їх скорочуватися при нагріванні. Це властивість називається негативним тепловим розширенням. На жаль, ці кристалічні структури дуже складні, і вчені досі були не в змозі побачити, яким чином коливання атомів призводять до скорочення розмірів матеріалу.

Ми не будемо говорити про розширення газів при нагріванні, це до речі зручно використовується при забезпеченні комфортного умови в будь-якому приміщенні під час холодних сезонів і забезпечують це теплові завіси. Мова піде про порошку.

Ситуація змінилася завдяки відкриттю в 2010 році від’ємного теплового розширення у ScF3, порошкоподібної речовини з відносно простою кристалічною структурою. Щоб з’ясувати, як його атоми вібрують під впливом високої температури, американські вчені використовували комп’ютер для моделювання поведінки кожного атома. Також властивості матеріалу вивчалися в лабораторії нейтронної комплексу ORNL в штаті Теннесі.

Результати дослідження вперше дали чітку картину того, як стискається матеріал. Для того щоб зрозуміти цей процес, потрібно уявити атоми скандію і фтору кулями, з’єднаними один з одним пружинами. Більш легкий атом фтору пов’язаний з двома більш важкими атомами скандію. При підвищенні температури всі атоми починають розгойдуватися в декількох напрямках, але з-за лінійного розташування атома фтору і двох атомів скандію перший більше вібрує в напрямках, перпендикулярних пружинам. З кожним коливанням фтор притягує атоми скандію один до одного. Оскільки це відбувається по всьому матеріалу, він скорочується в розмірах.

Найбільше здивування викликав той факт, що при сильних коливаннях енергія атома фтору пропорційна четвертого ступеня переміщення (коливання четвертого ступеня або биквадратное коливання). При цьому для більшості матеріалів характерні гармонічні (квадратичні) коливання, такі як зворотно-поступальний рух пружин і маятників.

За заявою авторів відкриття, практично чистий квантовий оссцилятор четвертого ступеня ніколи до цього не був зафіксований в кристалах. Це означає, що вивчення ScF3 в перспективі дозволить створити матеріали з унікальними тепловими властивостями.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *