Главная / Материал, который сжимается при нагревании
09.10.2015 |
|
 Большинство материалов расширяются при нагревании, и сжимаются при охлаждении. Но физик университета Коннектикута Джейсон Хэнкок расследует вещество, которое имеет странные свойства: оно сжимается при нагревании.
Хотя тепловое расширение, приводящее к растрескиванию и деформациям, является обычным явлением, у физиков имеются проблемы с объяснением того, почему твердые вещества ведут себя таким образом.
Хэнкок и его коллеги занялись исследованием скандия трифторида - материала, который имеет отрицательное тепловое расширение. Их исследование может привести к лучшему пониманию того, почему материалы изменяют объем вместе с температурой и может привести к таким потенциальным приложениям, как более долговечная электроника.
В классическом способе твердые вещества, такие как стекло, металл, и камень, представляются как сделанные из атомов, подключенных вместе пружинами. Пружины растягиваются и изгибаются в ответ на нагрев. Но поскольку каждая пружины при расширении давит на соседние пружины - и все эти смежные пружины также расширяются и оказывают одинаковое давление на все свои соседние пружины – то силы, которые они оказывают друг на друга, должны быть симметричным, и материал не должны ни расширяться, ни сжиматься.
«Во многих отношениях, эта модель вполне хороша», говорит Хэнкок. «Она объясняет неупругое рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей, множество других оптических эффектов, скорости звуковых волн, аспекты упругости и теплопроводности, и даже температуры перехода некоторых сверхпроводников. Но она не способна правильно объяснить тепловое расширение.
Исследователи решили изучить скандий трифторида, потому что его странное поведение может дать им некоторые подсказки о том, что нужно искать в более типичных материалах. Скандий трифторида не только резко сокращается, при нагревании на огромном диапазоне температур (почти 1100 K или 2000 F); он также держит ту же самую стабильную кубическую кристаллическую структуру в течение еще большего диапазона температур - от почти абсолютного нуля до 1800 градусов Кельвина (2780 градусов по Фаренгейту), и после этого предела начинает плавиться. Очень немногие материалы могут похвастаться такой стабильностью; большинство из них имеют своеобразное изменение фазы, во время которой их атомы изменяют свое расположение по крайней мере один раз, когда они нагреваются за пределами 2780 градусов по Фаренгейту.
Чтобы выяснить, что происходит внутри скандия трифторида, исследователи решили использовать рентген, чтобы показать, как атомы в кристалле перемещаются при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы правильно это сделать, им нужен идеальный кристалл скандия трифторида который очень трудно получить. После поиска, они нашли, возможно, единственный источник для совершенных кристаллов, который им необходимы: Киренский Институт физики в Красноярске, в Сибири, во главе с Владимиром Вороновым. Воронов согласился послать им кристаллы по почте, и они запланировали время запуска рентгеновского луча на передовом фотонном источнике в Аргоннской национальной лаборатории.
Исследователи направили рентгеновские лучи на идеальный кристалл. Они точно знали, сколько энергии рентгеновских лучей собиралось в кристалле, и они тщательно отслеживается, сколько энергии рентгеновских лучей выходило из него. Отслеживая количество потерянной энергии рентгеновских лучей, угол под которым они вошли в кристалл, и угол, под которым они вышли из него, исследователи смогли вычислить, как перемещались атомы скандия трифторида.
«Когда рентгеновские лучи отскакивают от образца, они делают маленькие брызги вибрации в решетке», говорит Хэнкок. Колонны молекул скандия трифторида, каждая из которых имела форму маленького октаэдра, казалось, вращались в месте, даже при близкой к нулю температуре.
Легкость, с которой столбцы скручивались в температуре, близкой к нулю, является необычной - структура является «мягче», чем большинство материалов при нулевом Кельвине. Наблюдаемая мягкость молекулярной структуры скандия фторида может означать, что он собирается пройти фазовый сдвиг, но он никогда не достигает этого, даже вблизи абсолютного нуля. Такой сдвиг вблизи абсолютного нуля называется квантовым фазовым переходом, и является областью интенсивной научно-исследовательской деятельности в области физики, главным образом потому, что такие переходы часто бросают вызов существующим теоретическим представлениям о том, как материалы работают.
Ключи, выявленные в этом исследовании, показывают возможность глубоких отношений между квантовыми силами и гигантского усадкой, которую материал испытывает при нагревании. Исследователи хотели бы изучить последствия этого феномена экспериментально и теоретически.
На более непосредственном уровне, трехфтористый скандий - материал с потенциальным будущим. Его кристаллическая структура похожа на многие материалы, используемые в электронике, и он является прозрачным, что делает его интересным потенциальным составляющим в устройствах, которые не сжимаются, трескаются или ломаются при термическом стрессе.
|
|
