Blog single photo

Hemmeligheten bak krystaller som krymper ved oppvarming - Phys.org

Denne animasjonen viser hvordan faste krystaller av skandiumfluorid krymper ved oppvarming. Mens bindingene mellom skandium (grønn) og fluoratomer (blå) forblir relativt stive, svinger fluoratomene langs sidene av de kubiske krystaller uavhengig av hverandre, noe som resulterer i et bredt spekter av avstander mellom nærliggende fluoratomer. Jo høyere temperatur, jo større blir knekking på sidene av krystallene, noe som fører til den samlede sammentrekningseffekten (negativ termisk ekspansjon). Kreditt: Brookhaven National Laboratory              Forskere ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory har nye eksperimentelle bevis og en prediktiv teori som løser et mangeårig materialvitenskapelig mysterium: hvorfor visse krystallinske materialer krymper når de blir oppvarmet. Arbeidet deres, nettopp publisert i Science Advances, kan ha en omfattende applikasjon for å matche materialegenskaper til spesifikke applikasjoner innen medisin, elektronikk og andre felt, og kan til og med gi ny innsikt i ukonvensjonelle superledere (materialer som har elektrisk strøm uten energitap).                                                       Bevisene kommer fra presisjonsmålinger av avstandene mellom atomer i krystaller av skandiumfluorid (ScF3), et materiale kjent for sin uvanlige sammentrekning under høye temperaturer (også kjent som "negativ termisk ekspansjon"). Det forskerne oppdaget, er en ny type vibrasjonsbevegelse som får sidene til disse kubformede, tilsynelatende solide krystaller til å spenne seg når de varmes opp, og dermed trekke hjørnene nærmere hverandre. "Normalt når noe varmer opp, utvides det," sier Brookhaven-fysiker Igor Zaliznyak, som ledet prosjektet. "Når du varmer opp noe, øker atomvibrasjoner i størrelsesorden, og den totale materialstørrelsen øker for å imøtekomme de større vibrasjonene." Dette forholdet gjelder imidlertid ikke for visse fleksible materialer, inkludert kjedelignende polymerer som plast og gummi. I disse materialene øker økende varme vibrasjoner bare vinkelrett på lengden på kjedene (sett de sideveis vibrasjonene til en plukket gitarstreng). Disse tverrgående vibrasjoner trekker endene av kjedene nærmere hverandre, noe som resulterer i generell svinn. Men hva med skandiumfluorid? Med en solid, kubisk krystallinsk struktur, ser den ikke ut som en polymer� minst ved første øyekast. I tillegg er en utbredt antakelse om at atomene i en fast krystall må opprettholde sine relative orienteringer, uansett krystallstørrelse, forvirret fysikere for å forklare hvordan dette materialet krymper når det varmes opp. Nøytroner og en dedikert student til redning En gruppe fra California Institute of Technology (Caltech) brukte en metode for å utforske dette mysteriet ved Spallation Neutron Source (SNS), et DOE Office of Science brukeranlegg ved Oak Ridge National Laboratory. Å måle hvordan bjelker av nøytroner, en type subatomisk partikkel, sprer atomene i en krystall, kan gi verdifull informasjon om deres atomskala-arrangement. Det er spesielt nyttig for lette materialer som fluor som er usynlige for røntgenstråler, sa Zaliznyak.                                                                                      Når han hørte om dette arbeidet, bemerket Zaliznyak at hans kollega, Emil Bozin, ekspert på en annen teknikk for nøytronspredning, sannsynligvis kunne fremme forståelsen av problemet. Bozins metode, kjent som "parfordelingsfunksjon," beskriver sannsynligheten for å finne to atomer atskilt med en viss avstand i et materiale. Beregningsalgoritmer sorterer deretter gjennom sannsynlighetene for å finne den strukturelle modellen som passer best til dataene. Zaliznyak og Bozin paret seg sammen med Caltech-teamet for å samle inn data på SNS ved bruk av Caltechs ScF3-prøver for å spore hvordan avstandene mellom nabomatomene endret seg med økende temperatur. David Wendt, en student som begynte på en praksisplass for Brookhaven Lab High School Research Program i Zaliznyaks laboratorium etter det andre året på videregående (nå nyutdannet ved Stanford University), håndterte mye av dataanalysen. Han fortsatte å jobbe med prosjektet i løpet av sine videregående dager og tjente stillingen som førsteforfatter på papiret. "David reduserte i utgangspunktet dataene til det skjemaet vi kunne analysere ved å bruke algoritmene våre, monterte dataene, komponerte en modell for å modellere plasseringene til fluoratomene, og gjorde den statistiske analysen for å sammenligne våre eksperimentelle resultater med modellen. arbeidet han gjorde, er som det en god postdoc ville gjort! " Sa Zaliznyak. "Jeg er veldig takknemlig for muligheten Brookhaven Lab ga meg til å bidra til original forskning gjennom High School Research Program," sa Wendt.                               Ytterligere coauthors i studien inkluderte (fra venstre) Kate Page, tidligere fra Oak Ridge National Laboratory, Brookhaven Lab-fysiker Emil Bozin og ORNL instrumentforsker Joerg Neuefeind. Kreditt: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory              Resultater: "myk" bevegelse i et solidt Målingene viste at båndene mellom skandium og fluor ikke virkelig endrer seg med oppvarming. "Faktisk utvider de seg litt," sa Zaliznyak, "noe som stemmer overens med hvorfor de fleste faste stoffer utvides." Men avstandene mellom tilstøtende fluoratomer ble svært varierende med økende temperatur. "Vi lette etter bevis for at fluoratomene holdt seg i en fast konfigurasjon, som alltid hadde antatt, og vi fant helt motsatt!" Sa Zaliznyak. Alexei Tkachenko, en ekspert på teorien om myk kondensert stoff ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (et annet Office of Science-brukeranlegg) ga viktige bidrag til forklaringen på disse uventede dataene. Siden fluoratomene ikke så ut til å være begrenset til stive posisjoner, kunne forklaringen trekke på en mye eldre teori opprinnelig utviklet av Albert Einstein for å forklare atombevegelser ved å vurdere hvert enkelt atom separat. Og overraskende viser den endelige forklaringen at varmeindusert krymping i ScF3 har en bemerkelsesverdig likhet med oppførselen til mykstoffpolymerer. "Siden hvert skandiumatom har en stiv binding med fluor, fungerer 'kjedene' av skandiumfluorid som danner sidene av de krystallinske kuber (med skandium i hjørnene) ligner de stive deler av en polymer," forklarte Zaliznyak. Fluoratomene i midten av hver side av kuben er imidlertid uhemmet av andre bindinger. Når temperaturen øker, er de "underbegrensede" fluoratomene frie til å svinge uavhengig i retninger vinkelrett på de stive Sc-F-bindinger. Disse tverrgående termiske svingningene trekker Sc-atomene i hjørnene av den kubiske gitteren nærmere hverandre, noe som resulterer i svinn som tilsvarer det som er observert i polymerer.                               Igor Zaliznyak, en fysiker i Brookhaven Labs avdeling for kondensert stofffysikk og materialvitenskap (til høyre), ledet et team av forskere inkludert Alexei Tkachenko fra Labs Center for Functional Nanomaterials (til venstre) for å tyde mekanismen som ligger til grunn for skandiumfluorids evne til å krympe ved oppvarming. Kreditt: Brookhaven National Laboratory              Termisk matching for applikasjoner Denne nye forståelsen vil forbedre forskernes evne til å forutsi eller strategisk designe et materials termiske respons for applikasjoner der temperaturendringer forventes. For eksempel bør materialer som brukes i presisjonsbearbeiding ideelt sett ha liten endring i respons på oppvarming og kjøling for å opprettholde den samme presisjonen under alle forhold. Materialer som brukes i medisinske applikasjoner, for eksempel tannfylling eller beinutskiftning, bør ha termiske utvidelsesegenskaper som tett samsvarer med de biologiske strukturene de er innebygd i (tenk hvor vondt det ville være hvis fyllingen utvidet seg mens tannen trekte sammen når du drikk varmt kaffe!). Og i halvledere eller undersjøiske fiberoptiske transmisjonslinjer, bør den varmeutvidelsen av isolasjonsmaterialer stemme overens med funksjonene for å unngå hindring av signaloverføring. Zaliznyak bemerker at en underbegrenset åpen rammearkitektur som den i ScF3 også er til stede i kobberoksid og jernbaserte superledere. Der vibrasjoner av krystallgitter antas å spille en rolle i disse materialenes evne til å føre elektrisk strøm uten motstand. Zaliznyak sa: "Den uavhengige svingningen av atomer i disse åpne rammer strukturer kan bidra til disse materialenes egenskaper på måter vi nå kan beregne og forstå. "De kan faktisk forklare noen av våre egne eksperimentelle observasjoner som fremdeles er et mysterium i disse superlederne," la han til. "Dette arbeidet fikk stor fordel av de viktige fordelene ved DOE nasjonale laboratorier. Inkludert unike DOE-fasiliteter og vår evne til å ha prosjekter med lang tid der viktige bidrag samler seg over tid for å kulminere i en oppdagelse," sa Zaliznyak. "Det representerer den unike samløpet av ulik ekspertise blant medtilsynene, inkludert en dedikert student på videregående skole, som vi var i stand til å integrere synergistisk for dette prosjektet. Det ville ikke vært mulig å gjennomføre denne forskningen uten ekspertisen gitt av alle teammedlemmene. "                                                                                                                                                                   Mer informasjon: "Entropisk elastisitet og negativ termisk ekspansjon i en enkel kubikkrystall" Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay2748                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Sitering:                                                  Hemmeligheten bak krystaller som krymper når den varmes opp (2019, 1. november)                                                  hentet 1. november 2019                                                  fra https://phys.org/news/2019-11-secret-crystals.html                                                                                                                                       Dette dokumentet er underlagt copyright. Bortsett fra enhver rettferdig omgang for privat studier eller forskning, nei                                             del kan reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt til informasjonsformål.                                                                                                                                Les mer



footer
Top