Создан экстраординарный материал, имеющий нулевое тепловое расширение в диапазоне от 4 до 1400 K

Posted by admin on 18 июня, 2021

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW), Австралия, обнаружили то, что можно назвать самым термостабильным материалом в мире на сегодняшний день. Этот новый материал с нулевым тепловым расширением является сложным соединением скандия, алюминия, вольфрама и кислорода, его объем остается практически неизменным в диапазоне температур от 4 до 1400 K (-269 до 1126 градусов Цельсия).

Указанный выше диапазон термостабильности является самым широким по отношению к любым другим термостабильным материалам, созданным ранее. Это, в свою очередь, делает новый материал Sc1.5Al0.5W3O12 идеальным кандидатом для создания устройств и аппаратов, работающих в условиях чрезвычайных температурных перепадов.

Примером использования нового материала является область аэрокосмической техники, где комплектующие самолетов и космических аппаратов должны работать в условиях экстремального холода в космосе или экстремальной жары во время запуска или возвращения. К примеру, небезызвестный самолет-разведчик SR-71 Blackbird за счет защитного покрытия мог выдерживать тепловые перегрузки при движении на скорости до 3.4 Маха. Новый же материал позволит гиперзвуковому летательному аппарату выдерживать скорость от 5 Махов и больше.

Кроме этого новый термостабильный материал найдет применение и в медицине, где температурные перепады не столь велики, но даже очень малое тепловое расширение может вызвать критические проблемы.

Как это часто бывает в науке, открытие нового материала было совершенно случайным событием. «Мы проводили ряд исследований, связанных с аккумуляторными батареями» — пишут исследователи, — «И совершенно случайно, перебирая различные варианты, мы наткнулись на данный состав, обладающий исключительными тепловыми характеристиками».

После обнаружения некоторых уникальных особенностей нового материала, его образцы были более тщательно изучены при помощи порошкового дифрактометра Echidna, находящегося в распоряжении научного центра ANSTO (Australian Synchrotron and the Australian Centre for Neutron Scattering). Именно тогда и была найдена невероятная степень термостабильности материала.

Отметим, что процесс теплового расширения обычных материалов при увеличении температуры происходит за счет увеличения межатомных связей. В некоторых случаях атомы также начинают вращаться, из-за чего они начинают занимать большее пространство в кристаллической решетке, что затрагивает общий объем материала. В новом же материале при увеличении температуры, происходит уникальная ситуация — атом кислорода перемещается на другое место в структуре, изменяются длины и углы межатомных связей, но все это вместе не приводит к изменениям объема.

«В самом ближайшем времени мы собираемся выяснить все аспекты механизма, который позволяет новому материалу сохранять свой объем в широком диапазоне температур» — пишут исследователи, — «Кроме этого, есть одна проблема — скандий является редким и достаточно дорогим элементом, но мы уже начали экспериментировать с другими элементами, которые могут стать заменой скандию, сохранив при этом высокую термостабильность материала».

Другие компоненты нового материала, кроме скандия, широко распространены и доступны. Процесс синтеза материала достаточно прост и ученые не видят никаких серьезных проблем для развертывания крупномасштабного производства.

[embedded content]