为什么有些合金加热时不扩大?

的一项新研究(加州理工学院)加州理工学院的研究人员发现了一些金属合金不扩大的原因,当他们得到热。在更高的温度,内在的所谓的不胀钢合金磁性能引起足够的收缩抵消任何预期的热膨胀。研究结果发表在《华尔街日报》自然物理。

调查不胀钢

材料热膨胀时吸收热量,使其原子振动更强烈,推动远离他们的邻居。因此,材料变得密度较低,尺寸略有增加。

这些量子运动也许并不算什么,但它们加起来——埃菲尔铁塔可以扩大15厘米在巴黎的炎热的天。

虽然这是一个有趣的似是而非的一个旅游景点,热膨胀可能意味着灾难当金属需要高精度的应用程序。没人想要慎之又慎望远镜或手表肿胀和停止工作。

“这几乎是闻所未闻的发现金属不扩大,“说Stefan Lohaus研究生在材料科学和新论文的作者。”但在1895年,物理学家偶然发现,如果你把铁和镍,每一个都有积极的热膨胀,在一定比例,得到这种材料很不寻常的行为。”

这种镍合金被称为殷钢,这个名字来源于不变”这个词,指的是其变革的阻力。

从历史上看,研究人员怀疑,这种不同寻常的抵抗热膨胀可能与金属的磁性,像只铁磁合金(能够磁化)观察作为不胀钢。

“我们决定看看,因为我们有一个很整洁的实验装置,可以测量磁性和原子振动,“Lohaus说。“这是一个完美的系统。”

磁性似乎抵消热膨胀

使用同步加速器在阿贡国家实验室先进光子源,研究人员测量了振动光谱和小不胀钢样品的磁性。

不胀钢件在钻石砧细胞压力举行——设置两个精确地钻石技巧三明治和紧密挤压样本。这里不胀钢合金被压缩在一个强大的x射线束前200000个大气压的压力被合金,在那里他们与样品的原子的振动。通过测量由x射线的能量的变化,科学家可以推断出多少样品中的原子振动。

研究人员还把传感器在钻石砧细胞能够检测干涉图样由电子的自旋状态的样本。这是至关重要的,作为一个铁磁材料的磁性是由电子的自旋状态,这可以被认为是一种量子测量的角动量,旋转通常是口头的“向上”或“向下”。在铁磁金属,这些旋转将彼此并行排列,形成磁自旋方向相同的“域”。

使用这种机制,研究人员检测了电子的自旋状态殷钢样本,以及它的原子振动,同时增加了样品的温度。

在凉爽的温度下,更多的殷钢电子共享相同的自旋状态,导致电子移动之间的距离。这促使他们父母的原子之间的距离,因此允许热膨胀。

但随着温度的上升,电子的自旋状态越来越翻转。同时,热能是导致原子振动越来越占据更多的空间。这两个相反的力量——收缩由于自旋状态的改变和原子振动扩张——实际上不胀钢合金内的相互抵消,从而导致没有净尺寸增加热量时应用。

“这是令人兴奋的,因为这是一个问题在科学一百多年左右,“Lohaus说。“有成千上万的出版物试图说明磁引起收缩,但没有整体的解释殷钢效应”。

参考:Lohaus SH,海涅M,古兹曼P, et al .殷钢的热力学解释效果。Nat phy。2023年。doi:10.1038 / s41567 - 023 - 02142 - z

这篇文章是一个返工的新闻稿加州理工学院颁发的技术。材料已经编辑的长度和内容。