Niezwykły materiał, który rozszerza się pod wpływem zimna
Większość materiałów rozszerza się pod wpływem ciepła i kurczy w niskich temperaturach. Fizyk z University of Connecticut - Jason Hancock - prowadzi badania nad substancją, która zachowuje się odwrotnie.
Naukowcy wciąż nie rozumieją w pełni, dlaczego materiały kurczą się pod wpływem zimna i rozszerzają w wysokich temperaturach. Badania przeprowadzone przez zespół fizyków z University of Connecticut nad trifluorkiem skandu mogą pomóc rozwikłać tę zagadkę. Mogą również przyczynić się do powstania nowych, ultrawytrzymałych materiałów.
Klasyczny sposób myślenia o ciałach stałych zakłada, że są one zbudowane z atomów połączonych wiązaniami chemicznymi w sieć krystaliczną. Wiązania kurczą się i rozciągają pod wpływem ciepła. Ale ponieważ siły między wszystkimi wiązaniami są rozłożone równomiernie, nie powinno się obserwować zmian w objętości materiału.
- W wielu sytuacjach, taki model się sprawdza. Wyjaśnia rozpraszanie neutronów i promieniowania rentgenowskiego oraz wiele innych efektów optycznych, prędkość fal dźwiękowych, elastyczność i przewodnictwo cieplne, a nawet temperaturę graniczną w niektórych temperaturach - powiedział Hancock.
Ale model ten nie wyjaśnia, dlaczego materiały zmieniają objętość pod wpływem temperatury.
Zespół Hancocka postanowił przyjrzeć się trifluorkowi skandu, gdyż jego nietypowe właściwości mogą wyjaśnić zagadkę rozszerzalności cieplnej bardziej typowych materiałów. Trifluorek skandu nie tylko znacznie kurczy się, gdy jest podgrzewany do temperatury 827oC, ale zachowuje stabilną strukturę krystaliczną od zera absolutnego do 1527oC, czyli jego punktu topnienia. Niewiele znanych materiałów zachowuje się w ten sposób.
Fizycy poddali kryształ trifluorku skandu badaniom z użyciem promieniowania rentgenowskiego. Okazało się, że cząsteczki trifluorku skandu obracają się w miejscu, nawet w temperaturach bliskich zera absolutnego. Struktura ta jest dużo bardziej miękka niż innych substancji w okolicach temperatury zera absolutnego. Sprawia to, że materiał jest na granicy zmiany faz, ale do tego nigdy nie dojdzie. Jest to zjawisko tzw. kwantowego przejścia fazowego, które fizycy badają od dawna.
Wskazówki uzyskane podczas eksperymentów sugerują, że może istnieć związek między siłami kwantowymi a kurczeniem się materiału podczas jego ogrzewania. Będą prowadzone kolejne badania nad trifluorkiem skandu, który może być jednym z najważniejszych materiałów przyszłości.
