晶体在加热时会收缩的迷人秘密

时间:2019-11-02 14:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

晶体在加热时会收缩的迷人秘密


  发现为与电子,医学,电信等材料相关的异常行为提供了新的定量描述。

  美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家拥有新的实验证据和预测理论,解决了长期以来的材料科学之谜:为什么某些晶体材料受热后会收缩。他们的工作于今天(2019年11月1日)在《科学进展》上发表,可能会广泛应用于将材料特性与医学,电子学和其他领域的特定应用相匹配的情况,甚至可能提供对非常规超导体(载有电的材料)的全新见解。电流,无能量损失)。

  证据来自精确测量氟化scan(ScF 3)晶体中原子之间的距离,氟化dium 以在高温下异常收缩(也称为“负热膨胀”)而闻名。科学家发现的是一种新型的振动运动,这种振动会导致这些立方体形的看似实心的晶体的侧面在受热时发生弯曲,从而将拐角拉近。

  负责该项目的布鲁克海文物理学家伊戈尔·扎利兹尼亚克(Igor Zaliznyak)对杏鑫娱乐说:“通常情况下,当事情变热时,它就会膨胀。“当加热物体时,原子振动的强度会增加,并且材料的整体尺寸也会增加,以适应更大的振动。”

  

晶体在加热时会收缩的迷人秘密

 

  Brookhaven实验室的凝聚态物理和材料科学部(右)的物理学家Igor Zaliznyak带领该实验室的功能纳米材料中心的科学家Alexek Tkachenko(左)领导了一个科学家团队,揭示了氟化scan加热后收缩能力的机理。

  但是,这种关系不适用于某些柔性材料,包括塑料和橡胶等链状聚合物。在这些材料中,热量的增加只会增加垂直于链条长度的振动(请看拔出的吉他弦的侧向振动)。这些横向振动将链条的末端拉近,从而导致整体收缩。

  但是氟化scan呢?具有固态的立方晶体结构,至少乍一看,它看上去不像聚合物。此外,一个普遍的假设是,固体晶体中的原子必须保持它们的相对取向,而不管晶体的大小如何,物理学家困惑地解释了这种材料在加热时如何收缩。

  中子和专职学生进行救援

  加州理工学院(Caltech)的一个小组正在使用一种方法在Spallation中子源(SNS)上探索这一奥秘,SNS是美国橡树岭国家实验室(DOE)科学办公室的用户设施。测量中子束(一种亚原子粒子)如何散射晶体中的原子,可以提供有关其原子尺度排列的有价值的信息。Zaliznyak说,这对于X射线不可见的轻质材料(例如氟)特别有用。

  Zaliznyak听说了这项工作,并指出他的同事Emil Bozin(使用另一种中子散射分析技术的专家)可能会增进对该问题的理解。Bozin的方法被称为“对分布函数”,它描述了在材料中找到以一定距离分开的两个原子的可能性。然后,计算算法对概率进行分类,以找到最适合数据的结构模型。

  

晶体在加热时会收缩的迷人秘密

 

  科学家在橡树岭国家实验室的散裂中子源中使用中子散射来研究为什么某些晶体材料受热时会收缩。

  Zaliznyak和Bozin与Caltech团队合作,使用Caltech的ScF3样本在SNS收集数据,以跟踪相邻原子之间的距离如何随温度升高而变化。

  大卫·温特(David Wendt)是一名学生,他在高中二年级(现在是斯坦福大学的新生)之后就开始在扎利兹尼亚克的实验室中进行布鲁克海文实验室高中研究计划的实习,他处理了许多数据分析。在整个高中时期,他继续从事该项目的工作,赢得了论文的第一作者的位置。

  “ David基本上将数据简化为我们可以使用算法进行分析的形式,对数据进行拟合,组成了一个模型来对氟原子的位置进行建模,并进行了统计分析以将我们的实验结果与模型进行比较。Zaliznyak说,他所做的工作量就像是一名优秀的博士后所要做的!

  Wendt说:“布鲁克海文实验室为我提供了通过他们的高中研究计划为原始研究做出贡献的机会,我感到非常感谢。”

  结果:稳固的“柔和”运动

  测量结果表明,heating与氟之间的键并没有随加热而真正改变。Zaliznyak说:“实际上,它们会稍微膨胀。这与大多数固体膨胀的原因是一致的。”

  但是相邻的氟原子之间的距离随着温度的升高而变化很大。

  “我们一直在寻找证据,证明氟原子保持固定的构型,这与往常一样,而事实恰恰相反!”扎里兹尼亚克说。

  

晶体在加热时会收缩的迷人秘密

 

  这项研究的其他合著者(左起)包括Kate Page,他是Oak Ridge国家实验室的前身,Brookhaven实验室的物理学家Emil Bozin和ORNL的仪器科学家Joerg Neuefeind。

  Brookhaven实验室功能纳米材料中心(另一个Office of Science用户设施)的软凝聚物理论专家Alexei Tkachenko为解释这一意外数据做出了重要贡献。

  由于氟原子似乎并不局限于刚性位置,因此该解释可以借鉴阿尔伯特·爱因斯坦最初提出的更古老的理论,通过分别考虑每个原子来解释原子运动。令人惊讶的是,最终解释表明,ScF3中的热致收缩与软物质聚合物的行为极为相似。

  Zaliznyak解释说:“由于每个,原子均具有与氟的刚性键,因此形成晶体立方侧面(scan在角落处)的氟化scan'链'的作用类似于聚合物的刚性部分。” 但是,立方体两边中心的氟原子不受任何其他键的约束。因此,随着温度升高,“约束不足”的氟原子可以自由地在垂直于刚性Sc-F键的方向上独立振荡。这些横向热振荡将立方晶格角处的Sc原子拉得更近,从而导致收缩率与聚合物中观察到的相似。

  应用热匹配

  这种新的认识将提高科学家预测或策略性设计用于预期温度变化的应用的材料热响应的能力。例如,理想情况下,精密加工中使用的材料应响应加热和冷却而显示很小的变化,以在所有条件下保持相同的精度。医疗应用中使用的材料(例如牙科填充物或骨骼替代物)的热膨胀特性应与嵌入其中的生物结构的热膨胀特性紧密匹配(想想如果喝热时牙齿收缩时填充物膨胀会带来多大的痛苦咖啡!)。在半导体或海底光纤传输线中,

  Zaliznyak指出,氧化铜和铁基超导体中也存在像ScF3这样的约束不足的开放框架结构,其中晶格振动被认为在这些材料的无电阻承载电流的能力中起作用。

  Zaliznyak说:“这些开放框架结构中原子的独立振动可能会以我们现在可以计算和理解的方式来提高这些材料的性能。” 他补充说:“他们可能实际上解释了我们自己的一些实验观察结果,这些观察结果仍然是这些超导体中的一个谜。”

  Zaliznyak说:“这项工作从DOE国家实验室的重要优势中获得了极大的好处-包括独特的DOE设施以及我们开展长期项目的能力,随着时间的推移,重要的贡献不断积累,最终形成一个发现。” “这代表了合著者中不同专业知识的独特融合,包括专门的高中生实习生,我们能够为该项目进行协同整合。没有所有团队成员提供的专业知识,就不可能成功进行这项研究。”

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