Секрет кристаллов, которые сжимают при нагревании

Ученые из Национальной лабораторией Министерства энергетики США Брукхейвенской новые экспериментальные данные и прогностическая теория, которая решает давнюю материалы научной загадкой: почему некоторые кристаллические вещества сжиматься при нагревании. Их работа, просто опубликовано в наука развивается, может иметь широкое применение для сопоставления свойств материала для конкретного применения в медицине, электронике, и других областях, и может даже обеспечить свежий взгляд в необычных сверхпроводников (материалы, которые проводят электрический ток без потери энергии).

Доказательств приходит от точности измерения расстояния между атомами в кристаллах фторида скандия (ScF3), материал, известный своими необычными сжатие при повышенных температурах (также известный как «отрицательное термическое расширение»). То, что ученые обнаружили новый тип колебательного движения, что приводит к бокам кубовидного, казалось бы, твердые кристаллы с пряжкой при нагревании, таким образом, потянув углы ближе друг к другу.

«Обычно как что-то нагревается, оно расширяется», — сказал Брукхейвен физик Игорь Зализняк, который вел проект. «Когда тебе тепло то вверх, атомных колебаний возрастает по своей величине, и общий объем материала увеличивается, чтобы вместить больший вибрации.»

Эти отношения, однако, не имеет для некоторых гибких материалов, в том числе chainlike полимеров, таких как пластмассы и резина. В этих материалах, увеличения увеличения тепловых колебаний перпендикулярно только на длину цепи (рисунок поперечных колебаний сорвал гитарной струны). Эти поперечные колебания тянуть концы цепей сближаются, в результате чего общее сокращение.

Но что насчет фторида скандия? С твердым, куб. кристаллическую структуру, она не выглядит как полимера, по крайней мере на первый взгляд. Кроме того, широко распространенное предположение, что атомы в твердом кристалле должны поддерживать их относительной ориентации, неважно, что размер кристалла, слева физиков смущен, чтобы объяснить, как этот материал дает усадку при нагревании.

Нейтроны и студент на помощь

Группа из Калифорнийского технологического института (Caltech), используя один метод, чтобы исследовать эту тайну в Япу «Источник нейтронов» скалывания (СНС), офис ДОУ научно пользователя объекта в Окриджской национальной лаборатории. Измерения, как пучки нейтронов, типу субатомных частиц, рассеиваются атомами в кристалле может дать ценную информацию об их атомно-масштабные договоренности. Это особенно полезно для легких материалов, таких как фтор, которые являются невидимыми для рентгеновских лучей, сказал Зализняк.

Услышав об этой работе, Зализняк отметил, что его коллега, Эмиль Бозин, эксперт в разных нейтронного рассеяния метод анализ, мог, вероятно, заранее понимание проблемы. Способ Бозин, известный как «пара функция распределения», описывает вероятность нахождения двух атомов друг от друга на определенном расстоянии в материале. Вычислительные алгоритмы потом перебирать вероятности найти структурную модель, которая лучше всего соответствует данным.

Зализняк и Бозин в паре с Калтехе команды для сбора данных в СНС, используя образцы ScF3 Калтех, чтобы отслеживать, как расстояния между соседними атомами изменяется с повышением температуры.

Дэвид Вендт, студент, который начал Брукхейвенской лаборатории Высшей школе научно-исследовательская программа стажировки в лаборатории Зализняк после его последнего года в старшей школе (сейчас на первом курсе Стэнфордского университета), обрабатывается большая часть анализа данных. Он продолжал работать над проектом в течение его школьных дней, получив должность первого автора на бумаге.

«Дэвид основном сводится данные в форму, чтобы мы могли анализировать, используя наши алгоритмы, встроенные в данных, состоящий в модели позиций атомов фтора, и сделал статистический анализ, чтобы сравнить результаты экспериментов с моделью. Объем работы он сделал как хороший постдок будет делать!» Сказал Зализняк.

«Я очень благодарен за возможность Брукхейвенской лаборатории предоставили мне внести свой вклад в оригинальные исследования через их высокая научная программа школы», — сказал Вендт.

Результаты: «мягкие» движения в твердом теле

Измерения показали, что связи между скандия и фтора не сильно изменился с отоплением. «На самом деле, они немного расширить,» Зализняк сказал, «что вполне согласуется с тем, что большинство твердых тел расширяются.»

Но расстояния между соседними атомами фтора стал сильно изменяется с повышением температуры.

«Мы искали доказательства того, что атомы фтора оставались в фиксированной конфигурации, так как всегда считалось, и мы нашли совсем наоборот!» Сказал Зализняк.

Алексей Ткаченко, эксперт в теории мягких конденсированных сред, в центре Брукхейвенская Лаборатория функциональных наноматериалов (другой конторе науки пользователем объекта) сделал важный вклад в объяснение этой неожиданной данных.

Поскольку атомы фтора, как представляется, не ограничивается жесткой позиции, объяснение может опираться на гораздо более старых теории, изначально разработанной Альбертом Эйнштейном для объяснения атомных движений путем рассмотрения каждого атома в отдельности. И что удивительно, последнее объяснение показывает, что тепловое усадки в ScF3 несет удивительное сходство с поведением софт-дело полимеров.

«Поскольку каждый атом скандия имеет жесткую связь с фтором, в ‘цепи’ скандий фторид, который по бокам кристаллические кубики (скандием по углам) акт похожими на жесткой части из полимера,» Зализняк объяснил. Атомы фтора в центре каждой стороны куба, однако, не ограниченные никакими другими узами. Так, при увеличении температуры «underconstrained» атомы фтора могут свободно колебаться независимо друг от друга в направлениях, перпендикулярных к жесткой СК-Ф облигации. Этих поперечных тепловых колебаний атомов тянуть СК в углах кубической решетки ближе друг к другу, что приводит к усадке подобной той, что наблюдается в полимерах.

Тепловой сопоставления заявок

Это новое понимание позволит улучшить способность ученых спрогнозировать или стратегически конструкция теплового отклика материала для приложений, где ожидаются перепады температуры. Например, материалы, используемые в точности подвергая механической обработке в идеале должны показать мало изменения в ответ на нагрев и охлаждение для поддержания той же точностью, во всех условиях. Материалы, используемые в медицинских целях, например, зубные пломбы или костных заменителей, должны иметь свойства теплового расширения, которые точно соответствуют те из биологических структур, в которые они вложены (думаю, как больно будет, если ваша начинка расширяется, пока ваш зуб заразились, когда пили горячий кофе!). И в полупроводниках или подводных волоконно-оптических линий передачи, теплового расширения электроизоляционных материалов должно соответствовать функциональных материалов во избежание нарушения передачи сигнала.

Зализняк отмечает, что underconstrained открытая архитектура нравится, что в ScF3 также присутствует в медно-оксидных и сверхпроводниках на основе железа, где колебания кристаллической решетки, как полагают, играют роль в способности этих материалов для передачи электрического тока без сопротивления.

«Независимых колебаний атомов в этих открытых рамок структуры, могут способствовать достижению этих материалов свойства, как мы теперь можем вычислить и понять», — сказал Зализняк. «Это может объяснить некоторые из наших собственных экспериментальных наблюдений, которые до сих пор остаются загадкой в этих сверхпроводниках», — добавил он.

«Эта работа сильно выиграли из важных преимуществ национальных лабораторий министерства энергетики США, включая уникальные ДОУ услуг, а наша способность к долго-временной промежуток проектов, где важна взносы накапливаются с течением времени превратиться в Находку», — сказал Зализняк. «Он представляет собой уникальное слияние различных знаний среди соавторов, в том числе специализированной школе студент-практикант, который нам удалось интегрировать синергически для этого проекта. Это не было бы возможным, чтобы успешно проводить эти исследования без экспертного мнения всех членов команды».

сделать разницу: спонсорские возможности