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科学者の画期的発見：単一の物質で負の熱膨張という驚くべき現象をどうやって実現するか？
負の熱膨張 (NTE) は、特定の材料が加熱されると他のほとんどの材料のように膨張するのではなく収縮するという、珍しい物理化学的プロセスです。この現象の最も有名な例は、0 ～ 3.98°C の間で挙動する水です。標準圧力では固体の水（氷）の密度は液体の水の密度よりも低いため、水の NTE 現象が発生し、氷は沈むのではなく水面に浮かびます。
負の熱膨張を実現できる材料は、エンジニアリング、オプトエレクトロニクス、エレクトロニクス、構造用途において幅広い可能性を秘めている可能性があります。
研究によると、いくつかの材料を熱膨張補償材料として使用し、通常の膨張する材料と混合すると、カスタマイズされた熱膨張またはほぼゼロの熱膨張を持つ複合材料を製造できることがわかっています。
負の熱膨張の起源
負の熱膨張の原因は、横方向の振動モード、剛性単位モード、相変化など、いくつかの物理的プロセスに起因します。 2011 年、研究者らは、NTE 現象は、安定した相マトリックス内の熱変動によって生じる高圧、低体積構成の存在から生じることを発見しました。これにより、特定の材料で発生する巨大な正の熱膨張（塩化モリブデン）と無限の負の熱膨張（Fe3Pt）を予測できるようになりました。
閉鎖系における負の熱膨張
負の熱膨張は、通常、氷やグラフェンなどの非密充填系で観察されます。しかし、最近の論文では、単一のコンポーネントを密に詰め込んだ格子でも NTE 動作を実現できることが示されています。この論文では、原子間の相互作用を考慮する必要がある、基本距離で NTE 現象が発生するための潜在的な十分条件を提案しています。
この現象は 1 次元では必要かつ十分ですが、2 次元や 3 次元では十分ではあっても必須ではありません。
負の熱膨張を持つ材料
おそらく最も研究されている負の熱膨張材料はタングステン酸ニオブ (ZrW2O8) です。化合物は 0.3 ～ 1050 K の温度範囲にわたって収縮し続けます。 NTE 特性を示すその他の材料には、AM2O8 ファミリーの他のメンバーのほか、HfV2O7 や ZrV2O7 などがあります。これらの材料は均質性があるため、NTE が 3 次元で一貫しており、熱膨張補償装置として使用しやすいため、エンジニアリング アプリケーションで価値を発揮します。
低温の氷は負の熱膨張という性質も示しており、これは工学上非常に有用です。
応募の見通し
従来の正の熱膨張材料と異常な負の熱膨張特性を持つ材料を組み合わせることで、複合材料の全体的な熱膨張率を調整し、熱膨張率をゼロに近づけることさえ可能になります。これは、材料が広い温度範囲にわたって安定した特性を維持する必要がある場合、たとえば精密計測アプリケーションなどのエンジニアリングにおいて特に重要です。
日常生活においても、ゼロ熱膨張材料の需要は非常に重要です。たとえば、セラミックガラスストーブは急激な温度変化に耐える必要があります。また、歯の詰め物が歯の膨張率と大きく異なる速度で膨張すると歯痛を引き起こす可能性があるため、歯のエナメル質に合わせて膨張するように設計された複合材料を使用することでこの問題を回避できます。
これらの材料の奇跡的な現象に直面して、科学界はこの研究の境界をどのようにさらに広げていくのでしょうか?
