Некоторые сплавы не меняют размер при нагревании. Теперь мы знаем почему
Почти каждый материал, будь то твердый, жидкий или газообразный, расширяется, когда его температура повышается, и сжимается, когда его температура понижается. Это свойство, называемое тепловым расширением используется для создания термостатов, которые автоматически включают и выключают домашнюю печь. Железные дороги, мосты и здания спроектированы с учетом этого, и им предоставляется возможность расширяться, не прогибаясь и не ломаясь в жаркий день.
Тепловое расширение происходит потому, что атомы материала вибрируют больше при повышении его температуры. Чем больше его атомы вибрируют, тем больше они отталкиваются от соседних атомов. По мере увеличения пространства между атомами плотность материала уменьшается, а его общий размер увеличивается.
Есть несколько исключений, но в целом материалы строго соответствуют этому принципу. Существует, однако, класс металлических сплавов, называемый инвары (от англ. think Invariable), которые упорно отказываются изменить размер и плотность в большом диапазоне температур.
— Стефан Лохаус, аспирант в области материаловедения и ведущий автор новой статьи.
Это аномальное поведение делает такие сплавы полезными в тех случаях, когда требуется предельная точность, например, при изготовлении деталей для часов, телескопов и других тонких инструментов. До сих пор никто не знал, почему инвар ведет себя так. В новой статье, опубликованной в Физика природы, исследователи из лаборатории Брент Фульц, Барбара и Стэнли Р. Раун-младший, профессор материаловедения и прикладной физики, говорит, что они выяснили секрет хотя бы одной устойчивости этого удивительного сплава.
Более 150 лет известно, что тепловое расширение связано с энтропией, центральной концепцией термодинамики. По мере повышения температуры увеличивается и энтропия системы. Это универсально верно, поэтому необычное поведение инвара должно объясняться чем-то, противодействующим этому расширению.
Лохаус говорит, что давно подозревал: такое поведение каким-то образом связано с магнетизмом, потому что только определенные сплавы, которые являются ферромагнитными (способны намагничиваться), ведут себя как инвар.
— Стефан Лохаус.
Поскольку магнитные свойства материала являются результатом так называемого спинового состояния его электронов — квантовой меры момента импульса, которая может быть направлена «вверх» или «вниз» — любой магнитный эффект, противодействующий ожидаемому расширению материала, должен быть обусловлен активностью его электронов.
Взаимосвязь между энтропией, тепловым расширением и давлением, известная как «отношения Максвелла», часто представляется как нечто забавное из учебника, но группа Caltech нашла способ использовать его для самостоятельного измерения теплового расширения, вызванного магнетизмом и атомными вибрациями. Эксперименты проводились в Advanced Photon Source, источнике синхротронных рентгеновских лучей в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, путем измерения вибрационных спектров и магнетизма небольших образцов инвара при давлениях в алмазной наковальне.
Измерения показали тонкое подавление теплового расширения от атомных вибраций и магнетизма. Оба изменились с температурой и давлением, но таким образом, чтобы поддерживать их баланс. Используя недавно разработанный точный теоретический подход, сотрудники этой работы показали, как этому балансу помогали взаимодействия между вибрациями и магнетизмом, например, где частоты атомных вибраций изменяются магнетизмом. Такое соединение между вибрациями и магнетизмом может быть полезно для понимания теплового расширения в других магнитных материалах, а также для разработки материалов для магнитного охлаждения.
Экспериментальная установка состояла из алмазной наковальни, которая по существу представляет собой два точно измельченных алмазных наконечника, между которыми образцы материалов могут быть плотно сжаты. В этом случае небольшой кусочек сплава инвар был зажат под давлением 200 000 атмосфер. Исследователи прошли мощный луч рентгеновского излучения через сплав, и во время этого процесса рентгеновские лучи взаимодействовали с вибрациями его атомов. Это взаимодействие изменило количество энергии, переносимой рентгеновскими лучами, что позволило исследователям измерить, насколько вибрируют атомы.
Они также поместили датчики вокруг алмазной наковальни, которые могут обнаруживать интерференционные паттерны, создаваемые состоянием вращения электронов, принадлежащих атомам образца.
Команда использовала свою экспериментальную установку для наблюдения как атомных вибраций образца инвара, так и состояния вращения его электронов, когда они повышали температуру образца. При более низких температурах большее количество электронов инвара разделяло одно и то же состояние вращения, заставляя их двигаться дальше друг от друга и раздвигать свои родительские атомы.
Когда температура инвара поднялась, состояние вращения некоторых из этих электронов все больше переключалось. В результате электроны расположились более компактно, прижимаясь к соседним электронам. Как правило, это приводит к тому, что инвар сжимается при разогреве. Но здесь атомы инвара также больше вибрировали и занимали больше места. Сокращение из-за изменения состояний вращения и расширения атомной вибрации противодействовало друг другу, и инвар оставался того же размера.
— Стефан Лохаус.
Статья, описывающая исследование, «Термодинамическое объяснение эффекта инвара» опубликована в журнале «Физика природы».
Тепловое расширение происходит потому, что атомы материала вибрируют больше при повышении его температуры. Чем больше его атомы вибрируют, тем больше они отталкиваются от соседних атомов. По мере увеличения пространства между атомами плотность материала уменьшается, а его общий размер увеличивается.
Есть несколько исключений, но в целом материалы строго соответствуют этому принципу. Существует, однако, класс металлических сплавов, называемый инвары (от англ. think Invariable), которые упорно отказываются изменить размер и плотность в большом диапазоне температур.
Почти невероятно представить металлы, которые не расширяются. Но в 1895 году ученый случайно обнаружил, что если вы комбинируете железо и никель, каждый из которых имеет положительное тепловое расширение, в определенной пропорции, Вы получаете этот материал с очень необычным поведением
— Стефан Лохаус, аспирант в области материаловедения и ведущий автор новой статьи.
Это аномальное поведение делает такие сплавы полезными в тех случаях, когда требуется предельная точность, например, при изготовлении деталей для часов, телескопов и других тонких инструментов. До сих пор никто не знал, почему инвар ведет себя так. В новой статье, опубликованной в Физика природы, исследователи из лаборатории Брент Фульц, Барбара и Стэнли Р. Раун-младший, профессор материаловедения и прикладной физики, говорит, что они выяснили секрет хотя бы одной устойчивости этого удивительного сплава.
Более 150 лет известно, что тепловое расширение связано с энтропией, центральной концепцией термодинамики. По мере повышения температуры увеличивается и энтропия системы. Это универсально верно, поэтому необычное поведение инвара должно объясняться чем-то, противодействующим этому расширению.
Лохаус говорит, что давно подозревал: такое поведение каким-то образом связано с магнетизмом, потому что только определенные сплавы, которые являются ферромагнитными (способны намагничиваться), ведут себя как инвар.
Мы решили взглянуть на это, потому что у нас есть очень аккуратная экспериментальная установка, которая может измерять как магнетизм, так и атомные вибрации, Это была идеальная система для эксперимента
— Стефан Лохаус.
Поскольку магнитные свойства материала являются результатом так называемого спинового состояния его электронов — квантовой меры момента импульса, которая может быть направлена «вверх» или «вниз» — любой магнитный эффект, противодействующий ожидаемому расширению материала, должен быть обусловлен активностью его электронов.
Взаимосвязь между энтропией, тепловым расширением и давлением, известная как «отношения Максвелла», часто представляется как нечто забавное из учебника, но группа Caltech нашла способ использовать его для самостоятельного измерения теплового расширения, вызванного магнетизмом и атомными вибрациями. Эксперименты проводились в Advanced Photon Source, источнике синхротронных рентгеновских лучей в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, путем измерения вибрационных спектров и магнетизма небольших образцов инвара при давлениях в алмазной наковальне.
Измерения показали тонкое подавление теплового расширения от атомных вибраций и магнетизма. Оба изменились с температурой и давлением, но таким образом, чтобы поддерживать их баланс. Используя недавно разработанный точный теоретический подход, сотрудники этой работы показали, как этому балансу помогали взаимодействия между вибрациями и магнетизмом, например, где частоты атомных вибраций изменяются магнетизмом. Такое соединение между вибрациями и магнетизмом может быть полезно для понимания теплового расширения в других магнитных материалах, а также для разработки материалов для магнитного охлаждения.
Экспериментальная установка состояла из алмазной наковальни, которая по существу представляет собой два точно измельченных алмазных наконечника, между которыми образцы материалов могут быть плотно сжаты. В этом случае небольшой кусочек сплава инвар был зажат под давлением 200 000 атмосфер. Исследователи прошли мощный луч рентгеновского излучения через сплав, и во время этого процесса рентгеновские лучи взаимодействовали с вибрациями его атомов. Это взаимодействие изменило количество энергии, переносимой рентгеновскими лучами, что позволило исследователям измерить, насколько вибрируют атомы.
Они также поместили датчики вокруг алмазной наковальни, которые могут обнаруживать интерференционные паттерны, создаваемые состоянием вращения электронов, принадлежащих атомам образца.
Команда использовала свою экспериментальную установку для наблюдения как атомных вибраций образца инвара, так и состояния вращения его электронов, когда они повышали температуру образца. При более низких температурах большее количество электронов инвара разделяло одно и то же состояние вращения, заставляя их двигаться дальше друг от друга и раздвигать свои родительские атомы.
Когда температура инвара поднялась, состояние вращения некоторых из этих электронов все больше переключалось. В результате электроны расположились более компактно, прижимаясь к соседним электронам. Как правило, это приводит к тому, что инвар сжимается при разогреве. Но здесь атомы инвара также больше вибрировали и занимали больше места. Сокращение из-за изменения состояний вращения и расширения атомной вибрации противодействовало друг другу, и инвар оставался того же размера.
Это захватывающе, потому что это было проблемой в науке более ста лет. Есть буквально тысячи публикаций, пытающихся показать, как магнетизм вызывает сокращение, но не было целостного объяснения эффекта инвара
— Стефан Лохаус.
Статья, описывающая исследование, «Термодинамическое объяснение эффекта инвара» опубликована в журнале «Физика природы».
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...