Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fluorid skanditý ScF3 je zvláštní sloučenina vykazující zápornou teplotní roztažnost, tedy při zahřívání se smršťuje. Nejde přitom o žádnou skupenskou změnu (ve stylu tání ledu), stále před sebou máme iontový krystal. Vysvětlit toto netypické chování se nyní podařilo vědcům Brookhaven National Laboratory (spadá pod ministerstvo energetiky USA). Studie publikovaná v Science Advances by mohla mít vztah k supravodivosti i k dalším elektronickým aplikacím.
Jak to funguje běžně? Při zahřívání dostávají atomy v krystalové mřížce další energii, více tedy vibrují a v důsledku toho se od sebe musí vzdálit. Naopak u některých polymerů vše probíhá jinak. Řetězce vibrují pouze ve směrech kolmých na délku molekuly, což naopak konce řetězce přitáhne blíž k sobě. Fluorid skanditý krystalizující v krychlové soustavě sice není polymer, nicméně chová se ve finále podobně. Negativní teplotní roztažnost je zde důsledkem jiného zajímavého jevu.
Na studii má být pozoruhodná už samotná metoda, kterou se výsledky podařilo získat – pomocí rozptylu neutronových paprsků na jednotlivých atomech; použít obvyklejší rozptyl rentgenového záření zde nefunguje. Samostatnou kapitolou pak byla analýza získaných dat zase pomocí speciálních modelů/algoritmů. Výsledně se podařilo stanovit, co se při zahřívání děje se vzdáleností mezi jednotlivými atomy. Vzdálenost mezi atomy fluoru a skandia se s teplotou prakticky nemění, čímž látka právě začne připomínat polymerový řetězec. Prudké a s teplotou se zvětšující pohyby atomů fluoru ve středu každé krychličky mřížky pak naopak začnou přitahovat k sobě atomy skandia v protilehlých rozích. Jev má demonstrovat následující animace. (Poznámka PH: Úplně srozumitelně to tedy nepůsobí, protože finálně se musí měnit i vzdálenosti mezi skandiem a fluorem, ne? Navíc by vlastně látka měla pak růstem teploty možná oscilovat, ne se stabilně smrštit?)
Kredit: Brookhaven National Laboratory
Atomy skandia zeleně, fluóru modře
Porozumění tomu, jak funguje tepelná roztažnost, by mělo usnadnit návrhy materiálů pro konkrétní použití. Pro medicínské aplikace typu zubních výplní nebo kostních náhrad je klíčové, aby měly stejnou teplotní roztažnost jako okolní tkáň (poznámka: i když zrovna u kosti změny teploty asi nepředpokládáme, u zubu to už může být jinak). V kabelu na dně moře nebo vlastně jakékoliv jiné elektronice by všechny součástky (vodiče-dráty, izolanty, polovodičové řídicí prvky) opět měly mít stejnou teplotní roztažnost.
A co se týče výše uvedeného vztahu k supravodivosti: Některé supravodiče na bázi mědi a železa mají prý strukturu podobnou ScF3, kdy některé vazby jsou relativně rigidní a jiné relativně volné. Vibrace krystalické mřížky navíc ovlivňují i samotnou supravodivost. Mohli bychom tedy nejprve lépe vysvětlit chování supravodičů, jemuž zatím pořádně nerozumíme, a na základě těchto znalostí pak zkoušet i ladit vlastnosti těchto materiálů na míru, navrhovat nové sloučeniny atd.
„Entropic elasticity and negative thermal expansion in a simple cubic crystal“ Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay2748
Zdroj: Brookhaven National Laboratory/Phys.org
„protože finálně se musí měnit i vzdálenosti mezi skandiem a fluorem, ne?“ – Podle obrázku bych to chápal tak, že jejich vzdálenost se opravdu nemění, ale ten fluor jen „vybočí“ stranou.