Химики создали металл, не расширяющийся при нагревании

Таких свойств материала, удалось добиться благодаря применению сверхвысоких давлений, достигаемых с помощью алмазных наковален, сообщают авторы открытия.

Химикам удалось получить металлический сплав, не расширяющийся при нагревании. Таких свойств материала, удалось добиться благодаря применению сверхвысоких давлений, достигаемых с помощью алмазных наковален, сообщают авторы открытия, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

С помощью сверхвысокого давления, превышающего атмосферное в сотни тысяч раз, ученым удалось добиться перехода электронов в атомах металлов, составляющих сплав — палладия и железа — в особое энергетическое состояние. Этот подход, которые сами авторы называют «алхимическим», позволяет перевести материал в химическое состояние, свойственное совсем иным элементам периодической системы. Этот эффект и приводит к проявлению нулевого коэффициента термического расширения.

Впервые подобные «инварные» (неизменяющиеся) материалы были открыты швейцарским физиком Шарльем Эдуаром Гийомом в 1896году при попытке создать эталон метра. Гийом обнаружил, что сплав никеля и железа расширяется при нагревании совсем незначительно.

С тех пор было открыто еще несколько подобных сплавов, термические свойства которых, как предполагалось, определяются магнитной конфигурацией материалов, задаваемой с помощью точного соотношения металлов в сплаве.

«Квантовомеханические расчеты показали, что электроны в таких материалах находятся в особом энергетическом состоянии, промежуточном по отношению к двум разным типам энергетических состояний, определяющих в свою очередь совершенно различные магнитные свойства сплавов», — сказал Майкл Винтерроуз (Michael Winterrose), слова которого приводит пресс-служба Калифорнийского технологического института.

В своей работе ученые попытались проверить так ли это на самом деле. Они использовали сплав палладия с железом. Известно, что сплав состава PdFe3 обладает инварными свойствами, тогда как Pd3Fe, который и выбрали ученые, при нагревании расширяется и ведет себя как обычный металл.

Поместив материал в алмазные наковальни под огромные давления (от 7 до 33 ГПа) и измерив его свойства в диапазоне температур от комнатной до 250 градусов Цельсия ученые обнаружили, что сплав переходит в особое состояние и проявляет практически нулевой коэффициент термического расширения.

С помощью нескольких методов спектроскопии ученые показали, что электроны в таком материале под большим давлением действительно переходят в промежуточное состояние, обуславливающее инварные свойства сплава, и ведут себя так, как будто обращаются не вокруг атомов железа и палладия, а вокруг совершенно иных химических элементов.

Авторы статьи полагают, что их работы позволят вывести некоторые универсальные законы проявления инварных свойств сплавами металлов и определить направления дальнейших работ по созданию материалов с новыми нехарактерными для них свойствами.