Сайт переехал physreal.com

Система тетраэдров и октаэдров, образуемых атомами в кристалле вольфрамата циркония (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Само явление отрицательного теплового расширения (negative thermal expansion, NTE) изучается уже довольно долго. Наиболее известным материалом с NTE считают кубический вольфрамат циркония ZrW₂O₈, необычные свойства которого — способность уменьшаться в объёме при нагревании в очень широком (0,3–1 050 К) диапазоне температур — были обнаружены ещё в ХХ веке. Модели ZrW₂O₈ основываются на предположении о том, что тетраэдры и октаэдры в его атомарной структуры при повышении температуры остаются неизменными, но смещаются друг относительно друга, уменьшая общий объём.

Структура фторида скандия(III). Зелёным обозначены атомы фтора, жёлтым — скандия. (Иллюстрация Caltech / C. Li et al.)

Материалы вроде вольфрамата циркония можно объединять с традиционными кристаллами и использовать, скажем, при изготовлении деталей точных механических устройств, составов для пломбирования зубов или элементов оптической системы телескопа, которые должны сохранять фиксированный размер в большом температурном интервале. Сначала, впрочем, необходимо составить теоретическое описание явления NTE, что в случае ZrW₂O₈ сделать сложно: в элементарную ячейку его решётки входят сразу 44 атома. Работать с фторидом скандия(III), который, как было установлено в прошлом году, демонстрирует аномальное тепловое расширение при температуре 10–1 100 К, гораздо проще, поскольку его элементарная ячейка включает в себя всего четыре атома.

Исследуя NTE на примере ScF₃, авторы провели серию экспериментов по методике неупругого рассеяния нейтронов в диапазоне температур от 7 до 750 К. Подобные измерения позволяют оценить резонансные частоты разных видов колебаний атомов, которые можно представить себе в виде точечных масс, соединённых пружинами. «Когда вы нагреваете твёрдое тело, амплитуда колебаний атомов увеличивается, что обычно приводит к расширению материала», — напоминает один из участников исследования Брент Фулц (Brent Fultz).

Как и следовало ожидать, практически все резонансы сохраняли своё положение при изменении температуры. Один из них, однако, сдвинулся в сторону более высоких частот, что соответствует росту жёсткости условных пружин, соединяющих атомы.

Чтобы разобраться в этом, физики выполнили теоретические расчёты, которые должны были показать, как атомы в решётке ScF₃ реагируют на колебания с определённой частотой. Чаще всего атомы испытывали действие возвращающей силы, пропорциональной смещению, и вели себя как гармонические осцилляторы с потенциалом, квадратично зависящим от координаты. Вместе с тем зависимость в определённых случаях становилась биквадратичной, объясняя рост «жёсткости пружин», наблюдаемый а опыте.

Необычный закон изменения потенциала действовал для атомов F, движущихся перпендикулярно направлению своих связей. Вероятно, этот эффект определяет свойства ScF₃ и способствует проявлению NTE.

Моделирование колебаний атомов в ScF₃:

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Калифорнийского технологического института.