Не поддаваясь законам физики — новый сплав нарушает правило теплового расширения

Группа исследователей из Венского технологического университета и Пекинского университета науки и технологий сообщила о создании нового сплава, который практически не изменяет свои размеры при нагревании в широком диапазоне температур.

Этот материал, получивший название пирохлоровый магнит, состоит из четырёх металлов: циркония, ниобия, железа и кобальта.

Как известно, большинство металлов расширяются при нагревании. Ярким примером этого явления служит Эйфелева башня, которая летом становится выше на 10-15 сантиметров по сравнению с зимой. Однако в многих отраслях промышленности такое поведение материалов нежелательно.

В связи с этим, учёные давно ищут способы создания материалов, длина которых не зависела бы от температуры. Одним из первых таких материалов стал инвар — сплав железа и никеля, отличающийся исключительно низким коэффициентом теплового расширения. Природа этого уникального свойства долгое время оставалась загадкой.

Совместная работа теоретиков из Венского технологического университета и экспериментаторов из Пекинского университета науки и технологий привела к значительному прогрессу в этой области. Учёные использовали сложное компьютерное моделирование для детального изучения эффекта инвара.

Благодаря этому моделированию стало возможным не только понять механизм, лежащий в основе эффекта инвара, но и разработать новый сплав с ещё более впечатляющими характеристиками. В диапазоне температур, превышающем 400 Кельвинов, длина пирохлорового магнита изменяется всего на одну десятитысячную процента на Кельвин.

Сотрудник Венского научного кластера доктор Сергей Хмелевский пояснил, что при повышении температуры атомы в материале начинают более интенсивно двигаться, требуя больше пространства. В результате увеличивается среднее расстояние между ними, что и приводит к тепловому расширению. По словам Хмелевского, предотвратить этот эффект невозможно, но можно создать материалы, в которых он будет компенсироваться другим явлением.

Команда Хмелевского разработала метод компьютерного моделирования, позволяющий анализировать поведение магнитных материалов при конечных температурах на атомном уровне. Благодаря этому методу учёные смогли глубже понять причину, по которой инвар практически не расширяется при нагревании. Как объяснил Хмелевский, при повышении температуры определённые электроны изменяют своё состояние, что приводит к уменьшению магнитного порядка в материале и, как следствие, к его сжатию. Этот эффект почти полностью компенсирует обычное тепловое расширение.

Хотя было известно, что магнитный порядок в материале играет ключевую роль в эффекте инвара, только компьютерное моделирование, проведённое в Вене, позволило детально разобраться в этом процессе. По словам Сергея Хмелевского, появилась теория, которая впервые позволяет делать конкретные прогнозы для разработки новых материалов с нулевым тепловым расширением.

Для проверки этих прогнозов Сергей Хмелевский сотрудничал с экспериментальной группой профессора Сяньран Син и доцента Или Цао из Института химии твёрдого тела Пекинского университета науки и технологий. Результатом их совместной работы стал пирохлоровый магнит.

В отличие от традиционных сплавов инвара, состоящих только из двух металлов, новый сплав включает в себя четыре компонента. Или Цао охарактеризовал его как материал с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур.

Уникальное поведение пирохлорового магнита при изменении температуры объясняется особенностями его структуры. В отличие от материалов с идеальной кристаллической решёткой, состав нового сплава неоднороден. В разных областях материала содержание кобальта варьируется. Эти области по-разному реагируют на изменения температуры, что позволяет подобрать такое соотношение компонентов, при котором общее тепловое расширение будет практически равно нулю.

Потенциальные области применения нового сплава весьма обширны. Он может найти своё место в сферах, где важна термостабильность при экстремальных температурных колебаниях или высочайшая точность измерений. В частности, пирохлоровый магнит может быть использован в авиации, космической отрасли и при производстве высокоточной электроники.

Уточнения

Теплово́е расшире́ние — изменение линейных размеров и формы твёрдого тела при изменении его температуры.