Обычно материалы обладают положительным коэффициентом
температурного расширения, то есть их линейные размеры увеличиваются
при нагревании. Так, бетонные конструкции в жаркий день могут
деформироваться из-за неравномерного прогревания. Японские ученые из
исследовательского центра RIKEN, Университета Сага (Saga University) и
Национального Института Передовой Прикладной Науки и Технологии
(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology,
AIST) выявили несколько материалов, которые не подчиняются этому
эмпирическому правилу. В работе, опубликованной недавно в журнале Nature Nanotechnology, сообщается, что наночастицы оксида меди CuO, как это ни удивительно, сжимаются при нагревании
 На изображении, полученном с помощью
дифракции электронов, видно, что расстояние
между белыми пятнами обратно
пропорционально расстоянию между атомами
в частицах CuO, и может уменьшаться или
увеличиваться при расширении или
сжатии тела, соответственно.
Наночастицы размером около 5 нм были получены путем измельчения
макроскопических кристаллов CuO. Исследуя с помощью рентгеновской и
электронной дифракции изменение межатомных расстояний при изменении
температуры от –253.15°C до –73.15°C (200К), ученые выявили уменьшение
объема вещества примерно на 1%: этот эффект в несколько раз сильнее,
чем у других материалов, сжимающихся при нагревании. При дальнейшем
увеличении температуры (выше 200 К) наночастицы начинают расширяться.
Основным фактором, вызывающим температурное расширение вещества,
является, как известно, нагнетающийся при нагревании колебательный
профиль атомов; вместе с этим увеличиваются как вероятность нахождения
атома вне своего равновесного положения, так и объем пространства
вероятного нахождения атома. Отрицательный же коэффициент
температурного расширения наблюдается когда вследствие нагревания атомы
имеют тенденцию к сближению. Например, если атом кислорода, связанный с
двумя атомами металла, будет при нагревании вибрировать перпендикулярно
линии связей, то это приведет к сближению атомов.
Существует несколько объяснений возникновения отрицательного
коэффициента температурного расширения; в зависимости от структуры
материала ученые говорят о взаимодействии низкоэнергетических
возбуждений (фононов) с кристаллической решеткой, либо о стерической
подвижности связей.
Однако в случае эффекта, наблюдаемого в наночастицах CuO, ученые
связывают его с магнитными свойствами наночастиц, поскольку температура
перехода из обычного состояния в состояние с отрицательным
коэффициентом температурного расширения коррелирует с температурой
изменения магнитных свойств CuO. Такой же эффект ученые наблюдали и во
фториде марганца (II) – MnF2, который тоже обладает магнитными
свойствами. К тому же, макроскопические частицы CuO и MnF2 обладают
ярко выраженной магнитострикцией, то есть способны
изменять форму и линейные размеры при воздействии внешнего магнитного
поля – магнитострикция этих материалов приводит к значительному
расширению макроскопических частиц.
Объяснение японскими учеными этого эффекта для магнитных наночастиц приводится в терминах магнитострикции и инвар-эффекта
(явления компенсации коэффициента теплового расширения спонтанной
магнитострикцией): при низкой температуре, когда материал находится в
магнитном состоянии, атомы металла выстраиваются попарно, образуя
нано-магниты. Эти структуры претерпевают между собой отталкивание, и
таким образом расстояние между намагниченными атомами увеличивается;
следовательно, когда такой материал нагревается, а атомы начинают
вибрировать, происходит некоторое нивелирование магнитного межатомного
отталкивания, проявляющееся в виде сжатия материала при нагревании, то
есть наблюдается отрицательный коэффициент температурного расширения.
Ученые предполагают, что описанное явление – одно из основных
свойств магнитных наночастиц, демонстрирующее сильную взаимосвязь между
магнетизмом и кристаллической структурой материала. Создание новых
материалов с «настраиваемыми» положительными и отрицательными
коэффициентами температурного расширения на основе инвар-эффекта и
нового свойства магнитных наночастиц, безусловно, представляет интерес
для практического использования.
Ученые надеются руководствуясь этой теорией открыть и другие
магнитные наночастицы, обладающие в некотором диапазоне температур
свойством сжиматься при нагревании.
Мария Костюкова |
