Některé slitiny při zahřívání nemění velikost a nyní víme proč
Téměř každý materiál, ať už je pevný, kapalný nebo plynný, expanduje, když jeho teplota stoupá, a smršťuje se, když jeho teplota klesá. Tato vlastnost, nazývaná tepelná roztažnost, způsobuje, že se horkovzdušný balón vznáší a tento jev byl využit k vytvoření termostatů, které automaticky zapínají a vypínají domácí kotel. Železnice, mosty a budovy jsou navrženy s ohledem na tuto vlastnost a mají prostor pro expanzi, aniž by se v horkém dni vyboulily nebo zlomily.
K tepelné roztažnosti dochází, protože atomy materiálu více vibrují, když se jeho teplota zvyšuje. Čím více jeho atomy vibrují, tím více se odtlačují od svých sousedních atomů. Jak se prostor mezi atomy zvětšuje, hustota materiálu klesá a jeho celková velikost roste.
Existuje několik výjimek, ale obecně platí, že materiály tomuto principu přesně odpovídají. Existuje však třída kovových slitin nazývaná Invars („neměnné“), které tvrdošíjně odmítají měnit velikost a hustotu ve velkém rozsahu teplot.
"Je téměř neslýchané najít kovy, které se nerozpínají," říká Stefan Lohaus, postgraduální student v oboru materiálové vědy a hlavní autor nového článku. "Ale v roce 1895 jeden fyzik náhodou objevil, že pokud spojíte železo a nikl, z nichž každý má pozitivní tepelnou roztažnost, v určitém poměru, získáte tento materiál s velmi neobvyklým chováním."
Toto anomální chování činí tyto slitiny užitečnými v aplikacích, kde je vyžadována extrémní přesnost, jako je výroba dílů pro hodiny, dalekohledy a další jemné přístroje. Doposud nikdo nevěděl, proč se Invarové takto chovají. V novém článku nazvaném „Termodynamické vysvětlení efektu Invar“, publikovaném v Nature Physics , vědci z laboratoře Brenta Fultze, Barbara a Stanley R. Rawnovi, Jr., profesor materiálových věd a aplikované fyziky, říkají, že přišli na to, jak odhalit tajemství stability alespoň jednoho Invara.
Již více než 150 let vědci vědí, že tepelná roztažnost souvisí s entropií, což je ústřední pojem v termodynamice. Entropie je mírou nepořádku, jako jsou polohy atomů v systému. S rostoucí teplotou roste i entropie systému. To platí všeobecně, takže neobvyklé chování Invarů musí být vysvětleno něčím, co působí proti této expanzi.
Lohaus říká, že se dlouho předpokládalo, že toto chování nějak souvisí s magnetismem, protože pouze určité slitiny, které jsou feromagnetické (schopné být zmagnetizovány), se chovají jako invary.
"Rozhodli jsme se na to podívat, protože máme toto velmi elegantní experimentální nastavení, které dokáže měřit magnetismus i atomové vibrace," říká Lohaus. "Byl to pro to dokonalý systém."
Protože magnetické vlastnosti materiálu jsou výsledkem takzvaného spinového stavu jeho elektronů – kvantové míry úhlové hybnosti, která může být buď „nahoru“ nebo „dolů“, jakýkoli magnetický efekt působící proti očekávané expanzi materiálu musí být způsoben činnost jejích elektronů.
Vztah mezi entropií, tepelnou roztažností a tlakem, známý jako „Maxwellovy vztahy“, je často prezentován jako učebnicová kuriozita, ale skupina Caltech našla způsob, jak jej použít k nezávislému měření tepelné roztažnosti způsobené magnetismem a vibracemi atomů. Experimenty byly provedeny v Advanced Photon Source, zdroj synchrotronových rentgenových paprsků v Argonne National Laboratory v Illinois, měřením vibračních spekter a magnetismu malých vzorků Invaru při tlacích uvnitř diamantové kovadliny.
Měření ukázala jemné zrušení tepelné expanze způsobené vibracemi atomu a magnetismem. Oba se měnily s teplotou a tlakem, ale způsobem, který udržoval jejich rovnováhu. Pomocí nově vyvinutého přesného teoretického přístupu spolupracovníci na této práci ukázali, jak této rovnováze napomáhaly interakce mezi vibracemi a magnetismem, například tam, kde jsou frekvence vibrací atomů měněny magnetismem. Takové spojení mezi vibracemi a magnetismem by mohlo být užitečné pro pochopení tepelné roztažnosti v jiných magnetických materiálech, stejně jako pro vývoj materiálů pro magnetické chlazení.
Experimentální sestava sestávala z diamantové kovadlinkové buňky, což jsou v podstatě dva přesně broušené diamantové hroty, mezi které lze těsně sevřít vzorky materiálů. V tomto případě byl malý kousek slitiny Invar vylisován při tlaku 200 000 atmosfér. Vědci procházeli slitinou silným paprskem rentgenového záření a během tohoto procesu rentgenové záření interagovalo s vibracemi (fonony) jejích atomů. Tato interakce změnila množství energie přenášené rentgenovými paprsky, což výzkumníkům umožnilo změřit, jak moc atomy vibrovaly.
Kolem diamantové kovadliny také umístili senzory , které dokážou detekovat interferenční vzory vytvořené spinovým stavem elektronů patřících k atomům vzorku.
Tým použil své experimentální nastavení k pozorování jak atomových vibrací vzorku Invar, tak spinového stavu jeho elektronů, když zvyšovaly teplotu vzorku. Při nižších teplotách sdílelo více invarských elektronů stejný spinový stav, což způsobilo, že se vzdalovaly a odsunovaly také své mateřské atomy dále od sebe.
Jak teplota Invaru stoupala, spinový stav některých z těchto elektronů se stále více měnil. V důsledku toho se elektrony pohodlněji přizpůsobily sousedním elektronům. Typicky by to způsobilo smrštění Invaru při zahřívání. Ale zde také atomy Invaru více vibrovaly a zabíraly více místa. Kontrakce v důsledku měnících se spinových stavů a expanze atomových vibrací se vzájemně vyrovnaly a Invar zůstal stejně velký.
"Je to vzrušující, protože to je problém ve vědě už více než sto let," říká Lohaus. "Existují doslova tisíce publikací, které se snaží ukázat, jak magnetismus způsobuje kontrakci, ale neexistovalo žádné holistické vysvětlení Invar efektu."
Spoluautoři jsou postgraduální studenti v oboru materiálové vědy Pedro Guzman a Camille M. Bernal-Choban, návštěvník v oboru aplikovaná fyzika a věda o materiálech Claire N. Saunders, Guoyin Shen z Argonne National Laboratory, Olle Hellman z Weizmann Institute of Science, David Broido a Matthew Heine z Boston College a Fultz.
