Победить эффект теплового расширения помогло компьютерное моделирование.
Большинство металлов расширяются при повышении температуры. Из-за этого, например, Эйфелева башня летом примерно на 10–15 сантиметров выше, чем зимой. Однако во многих случаях этот эффект может быть крайне нежелательным. В частности, на железной дороге, где без должных компенсационных мер рельсы может просто выбить из полотна от жары.
Давно создан и даже удостоен Нобелевской премии сплав железа и никеля инвар (от лат. invariabilis — неизменный) с очень низким тепловым расширением. Однако до сих пор не было полностью ясно, как это свойство можно объяснить физически.
С помощью сложного компьютерного моделирования ученым удалось детально понять эффект инвара. Результатами исследования они поделились на страницах National Science Review.
Благодаря полученным данным разработан сплав с улучшенными свойствами — пирохлоровый магнит. В чрезвычайно широком диапазоне температур более 400 Кельвинов его длина изменяется всего лишь примерно на 0,0001 процента на градус.
Тепловое расширение и его антагонист
«Чем выше температура в материале, тем больше атомы стремятся двигаться, а когда атомы движутся больше, им нужно больше места. Среднее расстояние между ними увеличивается. Этот эффект лежит в основе теплового расширения и не может быть предотвращен. Но можно производить материалы, в которых он почти точно уравновешен другим, компенсирующим эффектом», — объясняет доктор Сергей Хмелевский из Венского технического университета.
Компьютерные симуляции помогли понять, почему инвар почти не расширяется, на атомном уровне.
«Эффект обусловлен тем, что некоторые электроны меняют свое состояние по мере повышения температуры. Магнитный порядок в материале уменьшается, заставляя материал сжиматься. Этот эффект почти полностью компенсирует обычное тепловое расширение», — говорит Хмелевский.
Строго говоря, это уже было известно и раньше. Но именно детальное изучение механизма позволило делать прогнозы для разработки новых материалов.
Пирохлоровый магнит с плоскостями Кагоме
Вместе с коллегами из Института химии твердого тела Пекинского научно-технического университета Сергей Хмелевский разработал пирохлоровый магнит — сплав циркония, ниобия, железа и кобальта.
Его замечательное температурное поведение обусловлено неидеальностью кристаллической решетки. Состав материала неоднороден — в каждой точке чуть больше или чуть меньше кобальта. Эти области взаимно обнуляют тепловое расширение друг друга.
Новинка может представлять особый интерес для применений в условиях экстремальных перепадов температур или в высокоточных измерительных технологиях, таких как авиация, космонавтика или высокоточные электронные компоненты.
По материалам Ⓒ НАУКА
Оценили 23 человека
27 кармы