Ученые выяснили, почему некоторые сплавы не расширяются при нагревании
При нагревании тех или иных предметов они, как правило, расширяются. Поэтому в очень жаркие дни горячий воздух поднимается вверх, а мосты иногда прогибаются. Но есть исключение, имеющее решающее значение для большей части жизни на Земле, для воды при температурах, близких к нулю, но в остальном картина близка к универсальной.
В 1895 году Шарль-Эдуар Гийом обнаружил, что смесь железа и никеля представляет собой еще одно исключение, которое только сейчас получило объяснение. Ответ может найти применение в производстве точных приборов и создании инфраструктуры. Исследование опубликовано в открытом доступе в журнале Nature Physics.
Лед, что необычно для твердого тела, имеет меньшую плотность, чем жидкость, из которой он замерзает, и вода с температурой ниже 4°C должна расширяться, чтобы приблизиться к этой точке при охлаждении. Это не относится ни к открытому Гийомом сплаву, известному как инвар, ни к некоторым другим сплавам, известным под общим названием инвары. Во-первых, в отличие от холодной воды, инвар не сжимается при нагревании, а просто остается прежнего размера. Они также делают это в гораздо более широком диапазоне температур, чем аномалия воды 0-4 ° C.
Что еще более странно, так это то, что железо и никель расширяются, как и другие уважающие себя элементы, при нагревании, как и большинство комбинаций двух металлов. Только в определенных соотношениях, таких как 13 атомов железа на каждые 7 атомов никеля, при подаче тепла не происходит никаких изменений. Тот же эффект был продемонстрирован в нескольких других сплавах, таких как правильное соотношение железа со свинцом или платиной.
Стефан Лохаус — аспирант Калифорнийского технологического института, работавший над аномалией. Чтобы объяснить это, Лохаусу и его научному руководителю профессору Бренту Фульцу пришлось вернуться к причине расширения большинства материалов. Тепло связано с энтропией, степенью беспорядка в системе. Если температура материала повышается, его атомы начинают хаотично двигаться, что при обычном ходе событий отдаляет их друг от друга.
Насколько нам известно, все инвары содержат один из немногих ферромагнитных элементов в качестве основного ингредиента, что позволяет предположить, что магнетизм является частью объяснения. Гийом получил Нобелевскую премию по физике 1920 года за то, что заметил это, а также за свое первоначальное открытие, но он так и не смог полностью объяснить, как магнетизм вызывает этот эффект.
«Мы решили взглянуть на это, потому что у нас есть эта очень аккуратная экспериментальная установка, которая может измерять как магнетизм, так и атомные вибрации», — сказал Лохаус. Установка включала сжатие инвара до 200 000-кратного атмосферного давления с использованием алмазных наковальней и пропускание рентгеновских лучей, чтобы отслеживать, насколько сильно вибрируют атомы.
Магнетизм является результатом состояний спина электрона. Команда обнаружила, что магнитные эффекты регулируют поведение атомов инвара таким образом, что уравновешивает энтропию от дополнительного тепла. В холодном состоянии электроны во внешних оболочках инваров имеют общие спиновые состояния, что отталкивает их — и, следовательно, их атомы — друг от друга.
При более высоких температурах порядок нарушается, и некоторые электроны переходят в противоположное спиновое состояние, позволяя атомам сближаться. Степень, в которой это происходит, точно уравновешивает скорость, с которой колебания атомов раздвигают их. Связь сохраняется, потому что колебания атомов не являются непрерывными, а вместо этого действуют в квантованных модах, известных как фононы.
«Есть буквально тысячи публикаций, пытающихся показать, как магнетизм вызывает сжатие, но не было целостного объяснения эффекта инвара», — сказал Лохаус.
Связь нарушается при давлении выше 3 гигапаскалей, но, поскольку оно почти в 30 000 раз превышает атмосферное давление или почти в сто раз больше, чем раздавил Титан OceanGate, в повседневной жизни это обычно не проблема.
Инварное поведение может быть весьма полезным. Высокие температуры вызывают серьезные проблемы, когда металлы расширяются больше, чем ожидалось, что происходит все чаще. Климатические катастрофы — это когда инфраструктура должна продолжать работать, и сплавы, которые не чувствительны к нагреву, могут сыграть в этом свою роль.
Хотя нам не нужно понимать, почему они работают, чтобы использовать их, это, безусловно, дает большее чувство уверенности в том, что когда-то казалось подозрительно похожим на магию. Более того, Лохаус, Фульц и соавторы ожидают, что их работа улучшит наше понимание теплового расширения других материалов, способных намагничиваться.
Обсудим?
Смотрите также:
