معمولاً اشیاء در زمان گرم شدن انبساط پیدا می‌کنند. پل‌ها، جاده‌ها و حتی برج ایفل در تابستان کمی بلندتر می‌شوند.
ارتفاع برج ایفل به دلیل انبساط حرارتی بین تابستان و زمستان 10 تا 15 سانتیمتر تغییر می‌کند. در تابستان که فلز گرم‌تر می‌شود، برج بلندتر می‌شود.
اما این انبساط می‌تواند برای بسیاری از فناوری‌ها مانند ابزارهای دقیق یا فضاپیماها مشکل‌ساز باشد. به همین دلیل، دانشمندان به دنبال ماده‌ای هستند که اندازه‌ی ثابتی در برابر تغییرات دما داشته باشد.
یکی از گزینه‌های ممکن آلیاژ Invar است — آلیاژی از آهن و نیکل که به خاطر انبساط حرارتی بسیار کم خود شناخته شده است. اما علم پشت جادوی Invar تا به حال یک راز بود، تا اکنون.
پژوهشگران دانشگاه فنی وین با همکاری محققان دانشگاه علم و فناوری پکن با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری راز Invar را کشف کردند.
این فهم جدید به توسعه آلیاژی جدید و بسیار قوی شبیه به سوپرمن به نام مغناطیس پایروکلور منجر شد.
“هر چه دما در یک ماده بالاتر رود، اتم‌ها تمایل بیشتری به حرکت دارند – و زمانی که اتم‌ها بیشتر حرکت می‌کنند، به فضای بیشتری نیاز دارند. فاصله متوسط بین آنها افزایش می‌یابد،” سرگی خملفسکی از مرکز تحقیقاتی خوشه علمی وین توضیح داد.
“این اثر پایه انبساط حرارتی است و نمی‌توان از آن جلوگیری کرد. اما می‌توان مواد را به گونه‌ای تولید کرد که این اثر تقریباً به طور کامل با یک اثر جبرانی دیگر متعادل شود،” خملفسکی افزود.
انبساط حرارتی کمتر مغناطیس پایروکلور
تحقیقات با بررسی ویژگی غیرمعمول Invar در داشتن انبساط حرارتی پایین آغاز شد. آنها کشف کردند که ویژگی‌های مغناطیسی آن کلید پایداری آن است.
“این اثر به دلیل تغییر حالت الکترون‌های خاصی به هنگام افزایش دما است. نظم مغناطیسی در ماده کاهش می‌یابد و باعث می‌شود که ماده منقبض شود. این اثر تقریبا دقیقاً انبساط حرارتی معمول را لغو می‌کند,” خملفسکی توضیح داد.
این چارچوب نظری جدید بر اساس شبیه‌سازی‌ها به دانشمندان اجازه داد تا مواد را پیش‌بینی و طراحی کنند که در برابر تغییرات دما تقریباً هیچ تغییری در اندازه نداشته باشند.
با این فهم جدید، تیم به دنبال خلق ماده‌ای حتی بهتر رفت. و موفق شد.
پژوهشگران آلیاژ جدیدی به نام مغناطیس پایروکلور توسعه دادند که حتی نسبت به Invar هم انبساط حرارتی کمتری دارد.
مغناطیس پایروکلور در دمای بالای 400 کلوین (126.8 درجه سانتی‌گراد) ابعاد بسیار پایداری از خود نشان می‌دهد. جالب اینجاست که تنها به میزان “یک ده هزارم یک درصد در هر کلوین تغییر می‌کند.”
ترکیب شده از چهار فلز
در حالی که Invar از دو فلز تشکیل شده، مغناطیس پایروکلور از چهار فلز: زیرکونیوم، نیوبیوم، آهن و کبالت تشکیل شده است. این ترکیب پیچیده‌تر به آن قابلیت بی‌سابقه‌ای در مقاومت در برابر انبساط حرارتی داده است.
“این یک ماده با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین در یک دامنه دمایی بی‌سابقه است,” ییلی کائو از مؤسسه شیمی حالت جامد دانشگاه علم و فناوری پکن در یک بیانیه خبری گفت.
این آلیاژ جدید به دلیل ساختار نامنظم و ناهمگون خود دارای استحکام حرارتی استثنایی است.
ترکیب آن در طول ساختار متفاوت است، با غلظت‌های متفاوت عناصر مانند کبالت. این تاثیر می‌گذارد که چگونه مناطق مختلف ماده به تغییرات دما پاسخ می‌دهند. بعلاوه، خواص ماده را در هر نقطه به گونه‌ای متعادل می‌کند که به انبساط حرارتی کل نزدیک به صفر برسد.
این ماده جدید برای کاربردهایی که با تغییرات دمایی شدید مواجه هستند یا به دقت بالا نیاز دارند، ایده‌آل است. می‌توان از آن در هوافضا، و الکترونیک پیشرفته استفاده کرد.
