Известно, что при нагревании материалы расширяются. Этот эффект можно наблюдать повсюду: мосты, столбы и даже Эйфелева башня становятся немного выше летом. Например, высота башни меняется на 10–15 сантиметров в зависимости от времени года из-за теплового расширения металла.
Хотя такой эффект зачастую не представляет проблемы, в некоторых сферах, например в производстве точных приборов или космических аппаратов, температурное расширение может стать серьезной преградой. Поэтому ученые уже давно ищут материалы, которые не меняют своих размеров при изменении температуры.
Тайна сплава Invar
Одним из таких материалов является Invar — железо-никелевый сплав, обладающий исключительно низким коэффициентом теплового расширения. Однако механизм, обеспечивающий его уникальные свойства, долгое время оставался загадкой.
Исследователи Венского технического университета (TU Wien) совместно с учеными Пекинского университета науки и технологий провели компьютерное моделирование, чтобы понять, в чем заключается секрет Invar. Оказалось, что ключевую роль играют его магнитные свойства.
«При повышении температуры электроны изменяют свое состояние, а магнитный порядок внутри материала ослабевает, вызывая его сжатие. Этот эффект практически полностью компенсирует обычное тепловое расширение», — объяснил Сергей Хмелевский из Исследовательского центра Венского научного кластера (VSC).
Новый сверхстабильный сплав
Полученные знания позволили ученым не только раскрыть механизм работы Invar, но и разработать еще более совершенный материал — новый сплав с рекордной устойчивостью к изменениям температуры.
Этот новый материал, названный пирохлорным магнитом, демонстрирует еще меньшее тепловое расширение, чем Invar. Его размеры остаются практически неизменными в диапазоне температур более 400 Кельвинов (≈127°C). Изменение его размеров составляет всего одну десятитысячную процента на каждый градус Кельвина.
Уникальный состав и структура
В отличие от Invar, состоящего из двух металлов, новый сплав включает в себя четыре элемента: цирконий, ниобий, железо и кобальт. Такая сложная структура придает материалу исключительную устойчивость к температурным изменениям.
Как пояснил профессор Йили Цао из Пекинского университета науки и технологий, пирохлорный магнит обладает «чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком температурном диапазоне».
Этот эффект достигается благодаря неоднородной структуре сплава: концентрация элементов внутри материала варьируется, что позволяет компенсировать расширение в разных его частях.
Перспективы применения
Новый сплав открывает широкие возможности для высокотехнологичных отраслей. Он может использоваться в авиации, космической промышленности и производстве электроники, где стабильность размеров материалов критически важна.
Исследования в этой области продолжаются, и ученые уверены, что их открытия помогут создать еще более совершенные материалы для работы в экстремальных условиях.
