Ученые открыли новые явления в материалах, которые сжимаются при нагревании
 Геометрическая модель вольфрамата циркония. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Обычно нагревание заставляет вещества расширяться. Но существуют отдельные кристаллические вещества, которым свойственно сжатие при нагреве или, как принято говорить в научном мире, которые имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Подобные материалы имеют большое практическое значение: их можно сочетать, например, с традиционными на сегодняшний день материалами для производства зубных пломб, зеркал для телескопов и других объектов, которым необходимо иметь фиксированные размеры в широком диапазоне температур. Хорошим примером подобного вещества является вольфрамат циркония (ZrW2O8), демонстрирующий сжатие на 0,001% на градус по шкале Кельвина в диапазоне в тысячи градусов. Согласно геометрической модели вольфрамата циркония, тетраэдры и октаэдры, из которых сформирована кристаллическая структура вещества, остаются жесткими, но могут поворачиваться вокруг своей оси при нагреве, что уменьшает объем материала за счет образования складок внутри его структуры. Эти кристаллические структуры образуют так называемые жесткие моды колебаний.
В одном из представителей класса веществ с отрицательным коэффициентом теплового расширения ученые из California Institute of Technology (США) недавно обнаружили ранее не наблюдаемые колебания кристаллической решетки. Если представлять эти колебания с точки зрения механики, то жесткость «атомной пружины», определяющая параметры колебаний, в данном случае увеличивается при растяжении «пружины», в отличие от классического случая атомных колебаний, где эта «эффективная жесткость» остается постоянной. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По мнению ученых, при моделировании жестких мод колебаний, обычно не учитывались силы, контролирующие движения отдельных объектов. Это происходит потому, что в подобных кристаллах крайне сложно рассчитать силы внутри комплекса. В том же вольфрамате циркония элементарная ячейка, периодично повторяющаяся внутри кристалла, включает в себя 44 атома. Но недавно ученые обнаружили, что соединение трифторида скандия (ScF3) имеет сопоставимые с вольфраматом циркония характеристики в диапазоне температур от 10 до 1100 градусов по шкале Кельвина. В элементарной ячейке кристалла этого вещества всего 4 атома, взаимодействия которых гораздо легче анализировать.
Для оценки сил, действующих внутри элементарной ячейки трифторида скандия, исследователи оценили спектр колебаний кристаллической решетки при помощи рассеяния нейтронов. В особенности их интересовала резонансная частота различных мод колебаний внутри решетки. Измерения проводились в диапазоне от 7 до 750 градусов по шкале Кельвина. Как и ожидалось, большинство мод колебаний практически не изменяли частоту своего резонанса при изменении температуры. Однако одна из мод удивительным образом смещала свою резонансную частоту в область высоких частот, как если бы у нее увеличивалась жесткость при повышении температуры.
Проведя расчет выявленного феномена, ученые обнаружили, что для большинства мод колебаний потенциальная энергия увеличивается пропорционально квадрату расстояния между атомами. Но для отдельных мод действует зависимость от четвертой степени расстояния. Это предположение полностью подтверждалось экспериментальными фактами, выявленными в ходе нейтронного рассеяния.
Обнаруженные колебания четвертой степени представляют собой огромную и не исследованную область физики кристаллов, ведь более высокие моды колебаний могут играть определенную роль и в свойствах других веществ, т.е. потенциально исследования в этой области могли бы привести к разработке материалов с новыми тепловыми свойствами. Более того, ученые считают, что их открытие может повлечь за собой необходимость модификации существующих теорий поведения сжимающихся при нагреве веществ.
Также по теме:
Источники: