Вы знаете, как вы оставить пространство в бутылку с водой, прежде чем положить его в морозильную камеру — с учетом того, что вода расширяется, когда она замерзает? Большинство металлических деталей в самолетах лицо более распространена противоположная проблема. На большой высоте (низкие температуры), они сокращаются. Чтобы держать такую усадку от результате крупных стихийных бедствий, инженеры делают самолеты из композитных материалов или сплавов, смешение материалов, которые имеют противоположные свойства расширения, чтобы уравновесить друг друга.
Новое исследование, проведенное в рамках Департамента национальной лаборатории энергетики Брукхейвенской США могут принести совершенно новый класс химических элементов в этот акт материаловедение балансировки.
Как описано в статье, только что опубликованной в журнале письма в ЖЭТФ, ученые использовали рентгеновские лучи в Брукхейвенской национальной синхротронным излучением в области II (NSLS-II) и … в Министерство энергетики США Управление по науке пользователем объекта … и два других синхротронные источники света, чтобы исследовать необычный металл, который резко расширяется, при низкой температуре. Эксперименты по сульфида Самария, легированного с какими-то примесями раскрыла подробности об атомном уровне материала структура и электронно-основан происхождении своего «отрицательного теплового расширения».
Эта работа открывает возможности для создания новых материалов, где степень расширения может быть точно настроены путем подстройки химический рецепт. Он также предлагает несколько связанных с ним материалов, которые могут быть изучены для металла-смесительных установок.
«В практических применениях, будь то самолет или электронный прибор, вы хотите сделать сплавы материалы с этих противоположных свойств-вещи, которые расширяются с одной стороны и уменьшить с другой, когда они остывают, поэтому в целом он остается неизменным», — пояснил Даниил Маццоне, в статье ведущий автор и постдокторант в NSLS-II в Брукхейвенской лаборатории физики конденсированных сред и материаловедения кафедра.
Но материалы, что расширение мимических воды при охлаждении немногие и далеко между. И в то время как расширения замерзающей воды хорошо понимают, резкое расширение сульфида Самария никогда не были объяснены.
Как и другие материалы Маццоне изучал этот Самария на основе соединения (в частности сульфида Самария с некоторыми иттрия атомами заняв место несколько атомов Самария) характеризуется конкурирующих электронных фаз (нечто аналогичное твердой, жидкой и газообразной фазами воды). В зависимости от внешних условий, таких как температура и давление, электронов в материале могут делать разные вещи. В некоторых случаях, материал золотого цвета металла, через который электроны могут свободно двигаться — дирижер. В других условиях, он черного цвета полупроводник, позволив только некоторые электроны течь.
Золотое металлическое состояние является одним, что резко расширяется при охлаждении, что делает его весьма необычного металла. Маццоне и его коллеги обратились к рентгеновским лучам и теоретического описания поведения электронов, чтобы выяснить, почему.
В NSLS-II с парной функцией распределения (формат PDF) частей, ученые провели эксперименты дифракции. В формате PDF частей оптимизирован для исследования сильно коррелированных материалов при различных внешних условиях, таких как низкие температуры и магнитного поля. Для этого эксперимента, команда разместила образцы их Самария металла внутри жидкого гелия-криостат охлаждают в луче NSLS-II с Х-лучами и измеряют, как рентгеновские лучи отскакивали атомы, составляющие материала кристаллической структуры при различных температурах.
«Мы отслеживаем, как рентгеновские лучи отскакивают от образца, позволяющие определить расположение атомов и расстояния между ними», — сказала Милинда Abeykoon, ведущий ученый из ПДФ частей. «Наши результаты показывают, что, когда температура падает, атомы этого материала раздвигает их, вызывая весь материал, чтобы расширить до трех процентов по объему.»
Команда также использовала рентгеновские лучи в Soleil синхротрон во Франции и весны-8 синхрофазотрон в Японию, чтобы принять детальный взгляд на то, что электронов в материал на различных этапах температурно-индуцированного перехода.
«Эти рентгеновские эксперименты спектроскопии поглощения может отследить, действительно ли электроны движутся в или из внешней оболочки электронов вокруг атомов Самария», — пояснил со-автор Игнас Jarrige, физик в NSLS-II степени.
Если вы вспомните одну из основ химии, можно вспомнить, что атомы с незаполненными внешними оболочками, как правило, наиболее реактивными. Внешний Самария оболочки чуть меньше половины.
«Вся физика, по сути, содержащиеся в этой последней оболочкой, которая не полностью или не пустой», — сказал Маццоне.
Электрон-отслеживание рентгеновские эксперименты показали, что электроны, протекающий через самарий-сульфид металла двигались в том, что внешняя оболочка вокруг каждого атома Самария. Так как каждый атом облако электрона увеличилась, чтобы вместить дополнительные электроны, весь материал расширяется.
Но ученые все-таки пришлось объяснить поведение на основе теорий физики. С помощью расчетов, выполняемых Максим Дзеро, физик-теоретик из Кентского государственного университета, они смогли объяснить это явление с так называемым эффектом Кондо, названного в честь физик июня Кондо.
Основная идея эффекта Кондо заключается в том, что электроны взаимодействуют с магнитными примесями в материале, выравнивая их собственных вращений в противоположную сторону больших магнитных частиц для «отсеивания», или отменить, его магнетизм.
В самарий-сульфидного материала, Дзеро пояснил, что почти половина-полная внешняя оболочка каждого атома Самария действует как крошечные магнитные примеси, указывая в определенном направлении. «И потому, что у вас есть металл, вы также найдете свободные электроны, которые могут подойти и отменить эти маленькие магнитные моменты», — сказала Дзеро.
Не всех элементов с учетом эффекта Кондо имеют электроны заполняют внешней оболочке, а это также может пойти другим путем-в результате электроны покидают оболочки. Направление определяется хрупкий энергетический баланс диктуется правилами квантовой механики.
«Для некоторых элементов, из-за того, что внешняя оболочка заполняет, это более энергетически выгодно для электронов, чтобы выйти из оболочки. Но за пару этих материалов, электроны могут двигаться в, что приводит к расширению», — сказал Jarrige. Помимо Самария, остальные два элемента тулия и иттербия.
Стоило бы изучить соединений, содержащих эти элементы в качестве дополнительных возможных ингредиентов для создания материалов, которые расширяются при охлаждении, сказал Jarrige.
Наконец, ученые отметили, что степень отрицательного теплового расширения в сульфид Самария могут быть настроены путем изменения концентрации примесей.
«Эта перестройка делает этот материал весьма ценен для инженерных расширение сбалансированных сплавов», — сказал Маццоне.
«Применение высокоразвитой многочастичной теории моделирования является важной частью работы, чтобы определить связь между магнитным состоянием материала и его объемного расширения,» сказал Джейсон Хэнкок, сотрудник Университета Коннектикута (Коннектикута). «Это сотрудничество между Кент Государственный, Университет Коннектикута, Брукхейвенской лаборатории, партнер синхрофазотронах и Синтез Групп в Японии могут потенциально руководство новое открытие материалами усилия, которые используют необычные свойства этих редкоземельных материалов».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!