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».