Почему некоторые сплавы не расширяются при нагревании?

Aug 18, 2023

Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию книги «Почему некоторые сплавы не расширяются при нагревании?»

Заполните форму ниже, чтобы разблокировать доступ ко ВСЕМ аудиостатьям.

Новое исследование ученых из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) выявило причину, по которой некоторые металлические сплавы не расширяются при нагревании. При более высоких температурах собственные магнитные свойства так называемых инварных сплавов могут вызвать сжатие, достаточное для того, чтобы компенсировать любое ожидаемое тепловое расширение. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Тепловое расширение происходит, когда материал поглощает тепло, заставляя его атомы сильнее вибрировать и отталкиваться от соседей. В результате материал станет менее плотным и немного увеличится в размерах.

Эти движения атомного масштаба могут показаться не такими уж значительными, но они складываются: Эйфелева башня может расшириться на 15 сантиметров в жаркие парижские дни.

Хотя это и забавный факт о туристической достопримечательности, тепловое расширение может означать катастрофу, когда металл требуется для высокоточных приложений. Никто не хочет, чтобы точно откалиброванный телескоп или наручные часы разбухли и перестали работать.

«Почти неслыханно найти металлы, которые не расширяются», — говорит Стефан Лохаус, аспирант в области материаловедения и ведущий автор новой статьи. «Но в 1895 году один физик случайно обнаружил, что если соединить в определенной пропорции железо и никель, каждый из которых имеет положительное тепловое расширение, то получится этот материал с весьма необычным поведением».

Этот сплав никеля и железа известен как инвар, название которого происходит от слова «инвариантный», что означает его устойчивость к изменениям.

Исторически исследователи подозревали, что это необычное сопротивление тепловому расширению может иметь какое-то отношение к магнитным свойствам металла, поскольку только ферромагнитные сплавы (способные намагничиваться) действуют как инвары.

«Мы решили изучить это, потому что у нас есть очень аккуратная экспериментальная установка, которая может измерять как магнетизм, так и атомные вибрации», — говорит Лохаус. «Это была идеальная система для этого».

Используя синхротрон в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории, исследователи провели измерения колебательных спектров и магнетизма небольших образцов инвара.

Инваровые детали находились под давлением в ячейке с алмазными наковальнями – установке, в которой два точно отшлифованных алмазных наконечника плотно сжимают образец. Здесь инварный сплав сжимался под давлением 200 000 атмосфер, а затем на сплав направлялись лучи мощного рентгеновского излучения, где они взаимодействовали с вибрациями атомов образца. Измеряя изменения количества энергии, переносимой рентгеновскими лучами, ученые могут сделать вывод о том, насколько сильно вибрируют атомы в образце.

Подпишитесь на ежедневный информационный бюллетень Technology Networks, чтобы каждый день доставлять последние научные новости прямо на ваш почтовый ящик.

Исследователи также разместили датчики вокруг ячеек с алмазными наковальнями, которые способны обнаруживать интерференционные картины, создаваемые спиновым состоянием электронов в образце. Это очень важно, поскольку магнитные свойства ферромагнитного материала обусловлены спиновым состоянием его электронов, которое можно рассматривать как своего рода квантовую меру углового момента, при этом спины обычно называются «вверх» или «вниз». В ферромагнитном металле эти спины выстраиваются параллельно друг другу, образуя магнитные «домены» с одинаковым направлением вращения.

С помощью этой установки исследователи исследовали спиновое состояние электронов в образце инвара, а также его атомные колебания, одновременно повышая температуру образца.

При низких температурах большее количество электронов инвара имеют одно и то же спиновое состояние, что заставляет электроны двигаться дальше друг от друга. Это отталкивает их родительские атомы дальше друг от друга, что обеспечивает тепловое расширение.