Language
Country/Area
No result found
Dunia misterius ekspansi termal negatif: Mengapa beberapa bahan menyusut saat dipanaskan?
Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering mengamati bahwa materi memuai saat dipanaskan. Namun, beberapa material menunjukkan perilaku yang berlawanan dan malah menyusut saat dipanaskan. Fenomena ini disebut ekspansi termal negatif (NTE). Perubahan fisik khusus ini memberi para ilmuwan dan insinyur topik penelitian yang menarik dan menunjukkan prospek aplikasi yang potensial di banyak bidang.
Ekspansi termal negatif adalah proses fisikokimia yang tidak biasa di mana material tertentu menyusut saat dipanaskan, bukan perilaku memuai yang ditunjukkan oleh sebagian besar material.
Salah satu material paling terkenal dengan ekspansi termal negatif adalah air, yang menunjukkan sifat ini dalam perilakunya pada kisaran 0 hingga 3,98 derajat Celsius. Es kurang padat daripada air cair, yang menyebabkan es batu mengapung di atas air. Karakteristik ini tidak hanya sangat penting di alam, tetapi juga memberikan banyak ide baru untuk teknik. Pencampuran material ekspansi termal negatif dan material ekspansi termal positif normal dapat digunakan sebagai kompensator ekspansi termal untuk menyesuaikan material komposit yang tersusun dari material yang berbeda secara tepat, atau bahkan mencapai ekspansi termal mendekati nol.
Asal muasal ekspansi termal negatif
Fenomena ekspansi termal negatif disebabkan oleh berbagai proses fisik, termasuk mode getaran lateral, mode unit kaku, dan perubahan fase. Studi menunjukkan bahwa ekspansi termal negatif muncul dari keberadaan entropi tinggi dari konfigurasi volume kecil bertekanan tinggi yang ada dalam matriks fase stabil melalui fluktuasi termal. Proses ini tidak hanya memungkinkan prediksi ekspansi termal positif yang sangat besar dari material tertentu (seperti barium) dan ekspansi termal negatif nol dan tak terbatas (seperti Fe3Pt), tetapi juga meletakkan dasar untuk desain material baru.
Ekspansi termal negatif dalam sistem yang rapatBeberapa material dapat menunjukkan ekspansi termal negatif dan positif yang besar karena desain mikrostruktur internalnya.
Ekspansi termal negatif biasanya diamati dalam sistem yang tidak rapat dan memiliki interaksi arah, seperti es dan grafena. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa ekspansi termal negatif juga dapat dicapai dalam struktur kristal satu komponen yang rapat. Ini berarti bahwa perilaku NTE juga dapat diamati dalam sistem tertentu dengan interaksi tertentu, sehingga memperluas cakrawala penelitian ilmiah.
Jenis bahan ekspansi termal negatif
Dalam penelitian bahan ekspansi termal negatif, zirkonat tantalat (ZrW2O8) adalah yang paling menarik perhatian. Zat ini terus menyusut pada rentang suhu 0,3 hingga 1050 K, meskipun bahan tersebut akan hancur pada suhu yang lebih tinggi. Selain zirkonat tantalat, beberapa senyawa lain, seperti HfV2O7 dan ZrV2O7, juga menunjukkan perilaku NTE, yang menunjukkan potensinya dalam aplikasi teknik. Keramik khusus, serat karbon, dan kristal mineral tertentu (seperti kuarsa) juga menunjukkan ekspansi termal negatif dalam rentang suhu tertentu.
Ekspansi termal negatif diamati pada banyak material. Beberapa material khusus, seperti paduan ALLVAR 30, menunjukkan koefisien ekspansi termal sesaat sebesar -30 ppm/°C pada suhu 20°C, yang membuatnya banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan dan optik. .
Prospek Aplikasi
Material ekspansi termal negatif dapat membentuk komposit dengan material ekspansi termal positif biasa untuk menyesuaikan koefisien ekspansi termal keseluruhan material. Properti ini sangat penting dalam aplikasi teknik yang memerlukan ekspansi termal nol, seperti instrumen presisi dan sambungan yang stabil secara termal. Misalnya, kompor keramik kaca mampu menahan perubahan suhu terbesar selama memasak, menggunakan sifat ekspansi dari berbagai fase untuk mengimbangi dan menghindari risiko retak. Bahan tambalan gigi juga dapat dirancang secara tepat sesuai dengan karakteristik ekspansi termal gigi dalam bentuk bahan komposit untuk mengurangi ketidaknyamanan pasien.
Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, penelitian dan penerapan ekspansi termal negatif secara bertahap mendapat perhatian, memberikan peluang baru untuk desain material dan aplikasi rekayasa di masa depan. Berapa banyak prinsip ilmiah misterius yang ada di balik bahan-bahan yang penuh potensi ini yang masih menunggu untuk kita jelajahi?
