ابداع ابرآلیاژی که قوانین گرمایی را بر هم می‌زند

به گزارش ایسنا، همه می‌دانیم که اشیاء وقتی گرم می‌شوند، منبسط می‌شوند. پل‌ها، جاده‌ها و حتی برج ایفل نیز در تابستان کمی بلندتر می‌شوند.

ارتفاع برج ایفل بین تابستان و زمستان بین ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متر به دلیل انبساط حرارتی تغییر می‌کند. برج ایفل در تابستان که فلز گرم‌تر می‌شود و منبسط می‌شود، بلندتر است.

با این حال، این انبساط می‌تواند یک مشکل واقعی برای بسیاری از فناوری‌ها مانند ابزار دقیق یا فضاپیماها باشد. به همین دلیل است که دانشمندان همواره در جستجوی ماده‌ای بوده‌اند که بدون توجه به تغییرات دما، اندازه ثابتی را حفظ کند.

یکی از نامزدهای بالقوه اینوار (Invar) است که به آلیاژ آهن-نیکل گقته می‌شود و به دلیل انبساط حرارتی بسیار کم، معروف است. اما علم پشت جادوی «اینوار» تاکنون یک راز باقی مانده بود.

محققان دانشگاه وین (Wien) با پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت پکن همکاری کردند تا راز «اینوار» را با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای کشف کنند.

جالب اینجاست که این درک جدید منجر به ساخت یک آلیاژ قوی یا ابرآلیاژ به نام «آهنربای پیروکلر» شد.

سرجی خملوسکی (Sergii Khmelevskyi) از دانشگاه وین می‌گوید: هر چه دمای یک ماده بالاتر باشد، اتم‌ها تمایل بیشتری به حرکت دارند و وقتی اتم‌ها بیشتر حرکت می‌کنند، به فضای بیشتری نیاز دارند و میانگین فاصله بین آنها افزایش می‌یابد.

وی افزود: این اثر، اساس انبساط حرارتی است و نمی‌توان از آن جلوگیری کرد، اما می‌توان موادی را تولید کرد که در آنها تقریباً با اثر جبران‌کننده دیگری متعادل شود.

انبساط حرارتی کمتر آهنربای پیروکلر

این پژوهش با بررسی خاصیت غیرمعمول «اینوار» در انبساط حرارتی کم آغاز شد. آنها دریافتند که خواص مغناطیسی آن کلید پایداری آن است.

خملوسکی گفت: این اثر به دلیل تغییر وضعیت برخی الکترون‌ها با افزایش دماست. نظم مغناطیسی در ماده کاهش می‌یابد و باعث انقباض مواد می‌شود. این اثر تقریباً انبساط حرارتی معمول را خنثی می‌کند.

این چارچوب نظری جدید مبتنی بر شبیه‌سازی، به دانشمندان اجازه می‌دهد موادی را پیش‌بینی و طراحی کنند که تقریباً هیچ تغییری در اندازه خود با تغییر دما نشان نمی‌دهند.

محققان با این درک جدید، شروع به ایجاد یک ماده حتی بهتر کردند و موفق شدند.

آنها یک آلیاژ جدید به نام آهنربای پیروکلر ابداع کردند که انبساط حرارتی کمتری نسبت به «اینوار» از خود نشان می‌دهد.

آهنربای پیروکلر ابعاد بسیار پایداری را در محدوده دمایی بیش از ۴۰۰ کلوین (۱۲۶.۸ درجه سانتی‌گراد) نشان می‌دهد. جالب اینجاست که فقط یک ده هزارم درصد در هر کلوین تغییر می‌کند.

متشکل از چهار فلز

همانطور که گفته شد، «اینوار» از دو فلز آهن و نیکل ساخته شده است، اما «آهنربای پیروکلر» از چهار فلز زیرکونیوم، نیوبیم، آهن و کبالت تشکیل شده است. این ترکیب پیچیده‌تر به آن توانایی بی‌سابقه‌ای در مقاومت در برابر انبساط حرارتی می‌دهد.

یلی کائو (Yili Cao) از مؤسسه شیمی حالت جامد دانشگاه علم و فناوری پکن در بیانیه‌ای گفت: این ماده‌ای با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین در محدوده دمایی بی‌سابقه‌ای وسیع است.

پایداری حرارتی استثنایی این آلیاژ جدید به دلیل ساختار نامنظم و ناهمگن آن است.

ترکیب آن در سراسر ماده با غلظت‌های مختلف عناصر مانند کبالت متفاوت است. این بر نحوه واکنش مناطق مختلف ماده به تغییرات دما تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، خواص مواد را در هر نقطه متعادل می‌کند تا انبساط حرارتی کلی نزدیک به صفر برسد.

این ماده جدید برای کاربردهایی که با تغییرات شدید دما مواجه هستند یا به دقت بالایی نیاز دارند، ایده آل است و می‌توان از آن در هوانوردی، هوا فضا و الکترونیک پیشرفته استفاده کرد.