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Durchbruch für Wissenschaftler: Wie kann das wunderbare Phänomen der negativen Wärmeausdehnung in einer einzigen Substanz erreicht werden?
Die negative Wärmeausdehnung (NTE) ist ein ungewöhnlicher physikochemischen Prozess, bei dem sich bestimmte Materialien bei Erhitzung zusammenziehen, anstatt sich wie die meisten anderen Materialien auszudehnen. Das bekannteste Beispiel für dieses Phänomen ist Wasser, dessen Temperatur sich zwischen 0 und 3,98 °C verhält. Die Dichte von festem Wasser (Eis) ist bei Standarddruck geringer als die von flüssigem Wasser. Dies ist der Grund für das NTE-Phänomen des Wassers, bei dem Eis auf der Wasseroberfläche schwimmt, anstatt zu sinken.
Materialien, die eine negative Wärmeausdehnung erreichen können, haben möglicherweise ein großes Potenzial in den Bereichen Ingenieurwesen, Optoelektronik, Elektronik und Strukturanwendungen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Verbundwerkstoffe mit angepasster oder nahezu Null-Wärmeausdehnung herstellen lassen, wenn bestimmte Werkstoffe als Wärmeausdehnungskompensationsmaterialien verwendet und mit Werkstoffen gemischt werden, die sich normal ausdehnen.
Ursprung der negativen Wärmeausdehnung
Der Ursprung der negativen Wärmeausdehnung kann auf mehrere physikalische Prozesse zurückgeführt werden, darunter seitliche Schwingungsmodi, starre Einheitsmodi und Phasenänderungen. Im Jahr 2011 entdeckten Forscher, dass das NTE-Phänomen auf die Existenz von Konfigurationen mit hohem Druck und geringem Volumen zurückzuführen ist, die durch thermische Schwankungen in einer stabilen Phasenmatrix entstehen. Dadurch konnten sie die enorme positive Wärmeausdehnung (bei Molybdänchlorid) und die unendliche negative Wärmeausdehnung (bei Fe3Pt) vorhersagen, die in bestimmten Materialien auftreten.
Negative Wärmeausdehnung in einem geschlossenen System
Eine negative Wärmeausdehnung wird normalerweise in nicht dicht gepackten Systemen wie Eis, Graphen usw. beobachtet. Eine aktuelle Arbeit zeigt jedoch, dass auch dicht gepackte Gitter aus einer einzelnen Komponente ein NTE-Verhalten erreichen können. In diesem Artikel wird eine potenziell hinreichende Voraussetzung für das Auftreten des NTE-Phänomens bei fundamentalen Distanzen vorgeschlagen, bei der die Wechselwirkungen zwischen Atomen berücksichtigt werden müssen.
Dieses Phänomen ist in einer Dimension notwendig und ausreichend, in zwei und drei Dimensionen jedoch nur ausreichend, aber nicht notwendig.
Werkstoffe mit negativer Wärmeausdehnung
Das wahrscheinlich am besten untersuchte Material mit negativer Wärmeausdehnung ist Niobwolframat (ZrW2O8). In einem Temperaturbereich von 0,3 bis 1050 K schrumpft die Verbindung weiter. Zu den weiteren Materialien, die NTE-Eigenschaften aufweisen, gehören unter anderem andere Mitglieder der AM2O8-Familie sowie HfV2O7 und ZrV2O7. Aufgrund ihrer Homogenität sind diese Werkstoffe für technische Anwendungen wertvoll, da ihr NTE in drei Dimensionen konsistent ist, was ihren Einsatz als Kompensatoren für die Wärmeausdehnung erleichtert.
Bei niedrigen Temperaturen weist Eis außerdem die Eigenschaft der negativen Wärmeausdehnung auf, was in der Technik sehr nützlich ist.
Bewerbungsaussichten
Die Kombination herkömmlicher Materialien mit positiver Wärmeausdehnung mit Materialien mit anormal negativen Wärmeausdehnungseigenschaften trägt dazu bei, die Gesamtwärmeausdehnungsrate des Verbundmaterials zu regulieren und sogar eine Wärmeausdehnungsrate nahe Null zu erreichen. Dies ist insbesondere im Maschinenbau wichtig, beispielsweise bei Präzisionsinstrumenten, bei denen Materialien über einen weiten Temperaturbereich hinweg stabile Eigenschaften beibehalten müssen.
Auch im täglichen Leben ist die Nachfrage nach Materialien mit gleichbleibender Wärmeausdehnung sehr groß. Cerankochfelder müssen beispielsweise starken Temperaturschwankungen standhalten. Auch Zahnfüllungen, die sich deutlich anders ausdehnen als der Zahn selbst, können Zahnschmerzen verursachen. Daher kann dieses Problem durch die Verwendung von Verbundmaterialien, die sich im Einklang mit dem Zahnschmelz ausdehnen, vermieden werden.
Wie wird die wissenschaftliche Gemeinschaft angesichts der wundersamen Phänomene dieser Materialien die Grenzen dieser Forschung weiter erweitern?
