Die meisten Metalle expandieren, wenn ihre Temperatur steigt. Der Eiffelturm zum Beispiel ist im Sommer etwa 10 bis 15 Zentimeter höher als im Winter aufgrund seiner thermischen Ausdehnung. Dieser Effekt ist jedoch für viele technische Anwendungen äußerst unerwünscht. Aus diesem Grund läuft die Suche seit langem nach Materialien, die unabhängig von der Temperatur immer die gleiche Länge haben. Invar zum Beispiel ist eine Legierung von Eisen und Nickel für seine extrem niedrige thermische Expansion bekannt. Wie diese Eigenschaft physisch erklärt werden kann, war bisher jedoch nicht ganz klar.
Eine Zusammenarbeit zwischen theoretischen Forschern von Tu Wien (Wien) und Experimentalisten an der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking hat nun zu einem entscheidenden Durchbruch geführt: Die Verwendung komplexer Computersimulationen war möglich, den Invar -Effekt im Detail zu verstehen und somit ein SO zu entwickeln. -generiert Pyrochlore -Magnet -Eine Legierung, die noch bessere thermische Expansionseigenschaften als invar hat. Über einen extrem breiten Temperaturbereich von über 400 Kelvins ändert sich die Länge nur um etwa einen Zehntausendstel pro Zehn pro Zehn pro Kelvin.
Wärmeausdehnung und sein Antagonist
„Je höher die Temperatur in einem Material, desto mehr bewegt sich die Atome – und wenn sich die Atome mehr bewegen, brauchen sie mehr Platz. Der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen nimmt zu“, erklärt Dr. Sergii Khmelevskyi vom Wiener wissenschaftlicher Cluster (VSC) aus dem Wiener wissenschaftlicher Cluster (VSC). Forschungszentrum bei Tu Wien. „Dieser Effekt ist die Grundlage für die thermische Ausdehnung und kann nicht verhindert werden. Es ist jedoch möglich, Materialien zu produzieren, in denen sie durch einen anderen und kompensierenden Effekt fast genau ausgeglichen wird.“
Segii Khmelevskyi und sein Team entwickelten komplexe Computersimulationen, mit denen das Verhalten der magnetischen Materialien bei endlicher Temperatur auf Atomebene analysiert werden kann. „Dies ermöglichte es uns, den Grund besser zu verstehen, warum Invar überhaupt kaum erweitert wird“, sagt Khmelevskyi. „Der Effekt ist darauf zurückzuführen, dass bestimmte Elektronen ihren Zustand ändern, wenn die Temperatur steigt. Die magnetische Ordnung im Material nimmt ab und führt dazu, dass sich das Material zusammenzieht. Dieser Effekt storniert fast genau die übliche thermische Expansion. „
Es war bereits bekannt, dass die magnetische Ordnung im Material für den Invar -Effekt verantwortlich ist. Aber nur mit den Computersimulationen von Wien wurde es möglich, die Details dieses Prozesses so genau zu verstehen, dass Vorhersagen für andere Materialien getroffen werden konnten. „Zum ersten Mal ist eine Theorie verfügbar, die konkrete Vorhersagen für die Entwicklung neuer Materialien mit verschwundener thermischer Expansion treffen kann“, sagt Sergii Khmelevskyi.
Der Pyrochlore -Magnet mit Kagome -Flugzeugen
Um diese Vorhersagen in der Praxis zu testen, arbeitete Sergii Khmelevskyi mit dem experimentellen Team von Prof. Xianran Xing und Ass zusammen. Prof. Yili Cao vom Institut der Festkörperchemie der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit wurde nun vorgestellt: der sogenannte Pyrochlore-Magnet.
Im Gegensatz zu früheren Invar -Legierungen, die nur aus zwei verschiedenen Metallen bestehen, hat der Pyrochlore -Magnet vier Komponenten: Zirkonium, Niob, Eisen und Kobalt. „Es handelt sich um ein Material mit einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen beispiellosen weiten Temperaturbereich“, sagt Yili Cao.
Dieses bemerkenswerte Temperaturverhalten hat damit zu tun, dass der Pyrochlore -Magnet keine perfekte Gitterstruktur hat, die sich immer genauso wiederholt. Die Zusammensetzung des Materials ist an jedem Punkt nicht gleich, sondern heterogen. Einige Bereiche enthalten etwas mehr Kobalt, andere etwas weniger. Beide Subsysteme reagieren unterschiedlich auf Temperaturänderungen. Dies ermöglicht es den Details der Materialzusammensetzung so, dass die Gesamttemperaturausdehnung fast genau Null ist.
Das Material könnte von besonderem Interesse an Anwendungen mit extremen Temperaturschwankungen oder präzisen Messtechniken wie in Luftfahrt-, Luft- und Raumfahrt- oder hochpräzisen elektronischen Komponenten sein.
