Sciencemag.cz
Doporučujeme
Většina kovů se při zvýšení teploty rozpíná. Například Eiffelova věž je v létě v důsledku teplotní roztažnosti asi o 10 až 15 cm vyšší než v zimě. Tento efekt je však pro mnoho technických aplikací krajně nežádoucí.
Z tohoto důvodu vědci již dlouho hledají materiály, které mají vždy stejnou délku (objem) bez ohledu na teplotu. Například invar, slitina železa a niklu, je známý svou extrémně nízkou teplotní roztažností. Jak lze tuto vlastnost fyzikálně vysvětlit, však až dosud nebylo zcela jasné.
Vědci z Vídeňské technické univerzity a centra Science and Technology v Pekingu nyní pomocí složitých počítačových simulací detailně pochopili invarový efekt a vyvinuli pak tzv. pyrochlorový magnet – slitinu, která má ještě lepší tepelně roztažné vlastnosti než invar. V extrémně širokém teplotním rozsahu více než 400 stupňů se její délka mění jen asi o jednu desetitisícinu % na stupeň. (Pyrochlor má obecný vzorec (Na,Ca)2Nb2O6(OH,F))
„Čím vyšší je teplota v materiálu, tím více mají atomy tendenci se pohybovat – a když se atomy více pohybují, potřebují více prostoru. Průměrná vzdálenost mezi nimi se zvětšuje,“ uvádí průvodní tisková zpráva. „Tento efekt je základem tepelné roztažnosti a nelze mu zabránit. Je však možné vyrobit materiály, ve kterých je téměř přesně vyvážen jiným, kompenzačním efektem.“
Proč se invar s teplotou skoro nerozpíná? Některé elektrony mění svůj stav s rostoucí teplotou. Magnetický řád v materiálu přitom klesá, což způsobuje, že se materiál smršťuje a tento efekt téměř přesně ruší obvyklou teplotní roztažnost. Teprve počítačové simulace z Vídně ale umožnily pochopit detaily tohoto procesu tak přesně, že bylo možné provést předpovědi pro jiné materiály. Výsledek výzkumu je právě pyrochlorový magnet.
Na rozdíl od předchozích invarových slitin, které se skládají pouze ze dvou různých kovů, má pyrochlorový magnet čtyři složky: zirkonium, niob, železo a kobalt. Extrémně nízký koeficient tepelné roztažnosti v nebývale širokém rozsahu teplot souvisí s tím, že pyrochlorový magnet nemá dokonalou mřížkovou strukturu, která se vždy opakuje přesně stejným způsobem. Složení materiálu není v každém bodě stejné, ale heterogenní. Některé oblasti obsahují o něco více kobaltu, jiné o něco méně. Oba subsystémy reagují na změny teploty odlišně. To umožňuje vyvážit detaily složení materiálu bod po bodu tak, aby celková teplotní roztažnost byla téměř přesně nulová.
Materiál by mohl být zajímavý zejména v aplikacích s extrémními výkyvy teplot (letectví, kosmonautika) nebo u přesných měřicích technik (elektronické součástky).
Yanming Sun et al, Local chemical heterogeneity enabled superior zero thermal expansion in nonstoichiometric pyrochlore magnets, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae462
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org
Na to, aby ten materiál měl nějaké praktické využití, je třeba, aby měl také nějaké mechanické, elektrické a další vlastnosti, které jeho využití umožní.
Pamatuji se, když jsem dělal brigádu u geodetů, jak opatrně se muselo zacházet s latěmí s invarovou stupnicí, aby se nepoškodila. Na tu se nesmělo ani dýchnout. Z toho se asi letadlo nepostaví.