Ученые разработали революционный материал, который почти не меняет свои размеры при изменении температуры. Это открытие может изменить будущее аэрокосмической отрасли, электроники и высокоточных приборов, где важна стабильность размеров.
Открытие стало результатом совместной работы теоретиков из Венского технологического университета (TU Wien) и экспериментаторов из Пекинского университета науки и технологий. Команда под руководством доктора Сергея Хмелевского из исследовательского центра Vienna Scientific Cluster (VSC) использовала сложные компьютерные симуляции, чтобы разгадать секрет эффекта Инвара — явления, при котором некоторые материалы почти не расширяются при нагревании.
"Чем выше температура, тем больше атомы в материале начинают двигаться, — объясняет доктор Хмелевский. — Это движение требует больше места, что приводит к увеличению расстояния между атомами. Это и есть тепловое расширение, и его нельзя избежать. Однако мы можем создать материалы, где этот эффект почти полностью компенсируется другим, противоположным процессом".
Симуляции показали, что в материалах типа Инвар ключевую роль играют определенные электроны. При повышении температуры эти электроны меняют свое состояние, что приводит к уменьшению магнитного порядка в материале. Это, в свою очередь, вызывает сжатие материала, которое компенсирует обычное тепловое расширение.
На основе этих знаний ученые создали новый материал — пирохлоровый магнит. Этот сплав, состоящий из циркония, ниобия, железа и кобальта, демонстрирует чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения в широком диапазоне температур.
"Этот материал имеет крайне низкий коэффициент теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур, — говорит профессор Или Цао из Пекинского университета науки и технологий. — Это значительный шаг вперед в нашей способности контролировать тепловое расширение".
Уникальные свойства пирохлорового магнита связаны с его необычной атомной структурой. В отличие от материалов с идеально повторяющейся кристаллической решеткой, этот материал имеет неоднородную структуру. Его состав немного меняется от точки к точке: в одних областях больше кобальта, в других — меньше.
Эти вариации создают внутри материала отдельные подсистемы, каждая из которых по-разному реагирует на изменение температуры. Тщательно контролируя состав материала в каждой точке, ученые смогли добиться почти нулевого теплового расширения. Такой баланс позволяет пирохлоровому магниту сохранять свои размеры с удивительной стабильностью даже при резких перепадах температуры.
Этот материал открывает новые возможности для различных областей. Его способность сохранять стабильность размеров при экстремальных температурах делает его идеальным для использования в аэрокосмической индустрии. Кроме того, он может быть полезен для высокоточных приборов, электронных компонентов и оптических систем, где даже малейшие изменения размеров могут быть критичными.
Это открытие представляет собой важный шаг вперед в материаловедении, обещая улучшить производительность и надежность множества технологий. Возможность точно контролировать тепловое расширение открывает новые горизонты для создания материалов, адаптированных под конкретные задачи, и знаменует начало новой эры в инженерии материалов.