اکثر فلزات با افزایش دما انبساط می‌یابند. به عنوان مثال، برج ایفل در تابستان حدود 10 تا 15 سانتی‌متر بلندتر از زمستان است؛ این افزایش ارتفاع به دلیل انبساط حرارتی رخ می‌دهد. با این حال، این پدیده برای بسیاری از کاربردهای فنی بسیار نامطلوب است. به همین دلیل، پژوهشگران از دیرباز به دنبال موادی بوده‌اند که بدون در نظر گرفتن تغییر دما، طول ثابت خود را حفظ کنند.
یکی از این مواد، اینوار است؛ آلیاژی از آهن و نیکل که به دلیل انبساط حرارتی بسیار پایین خود شهرت دارد. با این وجود، توضیح فیزیکی این ویژگی تا زمان نگاهی جدید نامشخص باقی مانده بود.
اکنون، همکاری میان پژوهشگران نظری در دانشگاه فناوری وین (TU Wien) و تیم‌های آزمایشی در دانشگاه علم و فناوری پکن به دستاورد قابل توجهی منجر شده است. با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیچیده کامپیوتری، آن‌ها اثر اینوار را به تفصیل برملا کردند و یک ماده مغناطیسی به نام «پایروکلور» توسعه دادند — آلیاژی با ویژگی‌های انبساط حرارتی حتی بهتر از اینوار. در یک محدوده دمایی فوق‌العاده وسیع به بیش از 400 کلوین، تغییر طول این ماده تنها حدود یک دهم‌هزارم درصد به ازای هر کلوین است.
انبساط حرارتی و ضدتاثیر آن
«هرچه دمای یک ماده بالاتر رود، اتم‌ها تمایل بیشتری به حرکت دارند — و هنگامی که اتم‌ها بیشتر حرکت می‌کنند، به فضای بیشتری نیاز پیدا می‌کنند. فاصله متوسط بین آن‌ها افزایش می‌یابد.»
دکتر سرگئی خمِلِفسکی از مرکز پژوهش خوشه علمی وین (VSC) در TU Wien این موضوع را توضیح می‌دهد. او می‌گوید: «این پدیده اساس انبساط حرارتی است و قابل جلوگیری نیست؛ اما امکان تولید موادی وجود دارد که اثر آن تقریباً به طور کامل توسط اثر جبرانی دیگری خنثی شود.»
سرگئی خمِلِفسکی و تیم او شبیه‌سازی‌های پیچیده کامپیوتری توسعه دادند که می‌توان از آن‌ها برای تحلیل رفتار مواد مغناطیسی در دماهای محدود، در سطح اتمی استفاده کرد.
خمِلِفسکی می‌گوید: «این امر به ما امکان داد تا دلیل انبساط اندک اینوار را بهتر درک کنیم. اثر به دلیل تغییر حالت برخی از الکترون‌ها در هنگام افزایش دما است. نظم مغناطیسی در ماده کاهش می‌یابد که منجر به انقباض ماده می‌شود. این اثر تقریباً به طور دقیق انبساط حرارتی معمولی را خنثی می‌کند.»
قبلاً مشخص بود که نظم مغناطیسی در ماده مسئول اثر اینوار است؛ اما تنها با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از وین، امکان درک جزئیات این فرایند به اندازه‌ای دقیق فراهم شد که بتوان پیش‌بینی‌هایی برای مواد دیگر انجام داد.
خمِلِفسکی می‌گوید: «برای اولین بار، نظریه‌ای در دسترس است که می‌تواند پیش‌بینی‌های مشخصی برای توسعه مواد جدید با انبساط حرارتی نزولی ارائه دهد.»
ماده مغناطیسی پایروکلور با سطوح کاگومه
برای آزمایش این پیش‌بینی‌ها در عمل، سرگئی خمِلِفسکی با تیم آزمایشی پروفسور شیانران شینگ و دانشیار ییلی کائو از موسسه شیمی حالت جامد دانشگاه علم و فناوری پکن همکاری کرد. نتیجه این همکاری، ماده‌ای به نام «مغناطیس پایروکلور» ارائه شده است.
بر خلاف آلیاژهای اینوار قبلی که تنها از دو فلز تشکیل شده بودند، مغناطیس پایروکلور شامل چهار جزء است: زیرکونیوم، نیوبیم، آهن و کبالت. ییلی کائو می‌گوید: «این ماده دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین در محدوده دمایی بی‌سابقه‌ای است.»
این رفتار دمایی چشمگیر به این واقعیت مربوط می‌شود که مغناطیس پایروکلور دارای ساختار شبکه‌ای کامل و تکرارشونده به همان شکل نیست. ترکیب این ماده در هر نقطه یکسان نیست؛ به عبارت دیگر، ماده ناهمگن است. برخی نواحی کمی کبالت بیشتری دارند و برخی کمتر؛ هر دو زیرسیستم به طور متفاوتی نسبت به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند. این امر اجازه می‌دهد تا جزئیات ترکیب ماده به صورت نقطه به نقطه متعادل شود به طوری که انبساط کلی دمایی تقریباً صفر باشد.
این ماده می‌تواند از نظر کاربرد در شرایط نوسانات دمایی شدید یا در تکنیک‌های اندازه‌گیری دقیق، مانند در صنایع هوانوردی، فضایی یا اجزای الکترونیکی با دقت بالا، مورد توجه ویژه قرار گیرد.
منبع: معدن نیوز
0 دیدگاه