Ученые давно ищут материалы, которые практически не меняют размеров независимо от температуры. Это, например, инвар, сплав железа и никеля, известен своим чрезвычайно низким тепловым расширением. Но как это свойство можно объяснить физически, до сих пор было не совсем понятно.
Тела при нагревании расширяются, но не всегда
Международная команда ученых разработала уникальный сплав из четырех химических элементов, который практически на расширяется при нагревании. Материал представляет особый интерес в областях применения с экстремальными температурными колебаниями, например, в авиации и космосе.
Инвар. Серебристо-серый сплав железа и никеля. Википедия
Большинство металлов расширяются при повышении температуры. Например, Эйфелева башня летом примерно на 10-15 сантиметров выше, чем зимой, из-за теплового расширения. Однако этот эффект крайне нежелателен для многих технических применений.
Исследователи из Технического университета Вены и Университета науки и технологий Пекина решили проблему. С помощью сложного компьютерного моделирования им удалось детально изучить эффект инвара и разработать так называемый пирохлорный магнит — сплав, который обладает даже лучшими свойствами теплового расширения, чем инвар. В чрезвычайно широком диапазоне температур, превышающем 400 градусов, его размеры изменяется всего лишь на одну десятитысячную часть на каждый градус. Исследование опубликовано в журнале National Science Review.
Что сдерживает тепловое расширение
Коэффициент теплового расширения сплавов железа/никель в зависимости от процентного содержания никеля. Ярко выраженный минимум при концентрации никеля 36%. Это и есть инвар.
«Чем выше температура в материале, тем больше атомы перемещаются, а когда атомы перемещаются, им требуется больше места. Среднее расстояние между ними увеличивается», — объясняет соавтор работы доктор Сергей. — «Этот эффект лежит в основе теплового расширения, и предотвратить его невозможно. Но можно создать материалы, в которых он почти точно уравновешивается другим, компенсирующим эффектом».
Доктор Хмелевский и его команда разработали сложные компьютерные симуляции, которые можно использовать для анализа поведения магнитных материалов на атомном уровне. «Это позволило нам лучше понять причину, по которой инвар практически не расширяется», — говорит доктор Хмелевский. — «Эффект обусловлен тем, что некоторые электроны меняют свое состояние при повышении температуры. Магнитный порядок в материале уменьшается, заставляя материал сжиматься. Этот эффект почти полностью компенсирует обычное тепловое расширение».
Пирохлорный магнит
![(a) Структура (Zr,Nb)Fe2Coy с четырьмя двугранными плоскостями кагома; (b) Альтернативный вид кубической кристаллической структуры (Zr,Nb)Fe2Coy в решетке пирохлора; (c) Результат SXRD для y = 0,1 при 300 K; (d) EDS элементное картирование y = 0,1; (e) HAADF-STEM изображение вдоль оси зоны [110] для y = 0.1; (f) STEM-изображения и EELS-картирование вдоль оси [110] зоны y = 0,1; (g) Увеличенный вид желтой пунктирной области в (e), вставка показывает модель кубической структуры; (h) Профили интенсивности вдоль направлений, отмеченных зеленой и синей стрелками в (g), соответственно.](https://images.techinsider.ru/upload/img_cache/365/365f5f814a9f822d79d7d57e1f78ac40_cropped_510x266.webp "(a) Структура (Zr,Nb)Fe2Coy с четырьмя двугранными плоскостями кагома; (b) Альтернативный вид кубической кристаллической структуры (Zr,Nb)Fe2Coy в решетке пирохлора; (c) Результат SXRD для y = 0,1 при 300 K; (d) EDS элементное картирование y = 0,1; (e) HAADF-STEM изображение вдоль оси зоны [110] для y = 0.1; (f) STEM-изображения и EELS-картирование вдоль оси [110] зоны y = 0,1; (g) Увеличенный вид желтой пунктирной области в (e), вставка показывает модель кубической структуры; (h) Профили интенсивности вдоль направлений, отмеченных зеленой и синей стрелками в (g), соответственно.")
(a) Структура (Zr,Nb)Fe2Coy с четырьмя двугранными плоскостями кагома; (b) Альтернативный вид кубической кристаллической структуры (Zr,Nb)Fe2Coy в решетке пирохлора; (c) Результат SXRD для y = 0,1 при 300 K; (d) EDS элементное картирование y = 0,1; (e) HAADF-STEM изображение вдоль оси зоны [110] для y = 0.1; (f) STEM-изображения и EELS-картирование вдоль оси [110] зоны y = 0,1; (g) Увеличенный вид желтой пунктирной области в (e), вставка показывает модель кубической структуры; (h) Профили интенсивности вдоль направлений, отмеченных зеленой и синей стрелками в (g), соответственно.
Чтобы проверить свою теорию доктор Хмелевский работал вместе с экспериментальной группой профессора Сянрана Синга и доцента Йили Цао из Института химии твердого тела Пекинского университета науки и технологий. Результат этого сотрудничества уже представлен: это так называемый пирохлоровый магнит.
В отличие от предыдущих инварных сплавов, состоящих только из двух различных металлов, пирохлорный магнит состоит из четырех компонентов: цирконий, ниобий, железо и кобальт. «Это материал с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур», — говорит Цао.
Такое удивительное температурное поведение связано с тем, что материал не имеет идеальной кристаллической решетки, которая всегда повторяется абсолютно одинаково. Состав материала неоднороден. Некоторые участки содержат чуть больше кобальта, некоторые — чуть меньше.
Обе подсистемы по-разному реагируют на изменение температуры. Это позволяет сбалансировать состав материала в каждой точке таким образом, что общее температурное расширение практически равно нулю.
Материал представляет особый интерес в областях применения с экстремальными температурными колебаниями или точными методами измерения, например, в авиации, аэрокосмической промышленности или в высокоточных электронных компонентах.