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負の熱膨張の不思議な世界：なぜ一部の材料は加熱すると縮むのか？
日常生活では、物質が加熱されると膨張するのをよく観察します。しかし、一部の材料はまったく逆の挙動を示し、加熱すると実際に収縮します。この現象は負の熱膨張 (NTE) と呼ばれます。この特殊な物理的変化は、科学者や技術者に刺激的な研究テーマを提供し、多くの分野での潜在的な応用の可能性を示しています。
負の熱膨張は、ほとんどの物質が示す膨張挙動ではなく、特定の物質が加熱されると収縮する珍しい物理化学的プロセスです。
負の熱膨張を持つ最も有名な物質の 1 つは水であり、水は 0 度から 3.98 度の範囲でこの特性を示します。氷は液体の水よりも密度が低いため、氷の塊は水に浮きます。この特性は自然界において非常に重要であるだけでなく、工学にも多くの新しいアイデアをもたらします。負の熱膨張材料と通常の正の熱膨張材料を混合すると、熱膨張補償器として使用して、異なる材料で構成された複合材料を正確に調整したり、熱膨張をほぼゼロにしたりすることができます。
負の熱膨張の起源
負の熱膨張現象は、横方向の振動モード、剛性単位モード、相変化など、さまざまな物理的プロセスによって引き起こされます。この研究では、熱変動によって安定相のマトリックス内に存在する高圧、小容積構成の高エントロピーの存在から、負の熱膨張が生じることが示されました。このプロセスにより、特定の材料（バリウムなど）の非常に大きな正の熱膨張と、ゼロおよび無限の負の熱膨張（Fe3Pt など）を予測できるようになるだけでなく、新しい材料の設計の基礎も築かれます。
密充填系における負の熱膨張一部の材料は、内部の微細構造の設計により、大きな負の熱膨張と正の熱膨張を示すことがあります。
負の熱膨張は、氷やグラフェンなど、密に詰まっておらず方向性のある相互作用があるシステムで通常観察されます。しかし、最新の研究では、負の熱膨張は単一成分の最密充填結晶構造でも実現できることが示されています。これは、NTE の動作が特定の相互作用を持つ特定のシステムでも観察できることを意味し、科学研究の範囲が広がります。
負の熱膨張材料の種類
負の熱膨張材料の研究において、最も注目を集めているのがタンタル酸ジルコン酸（ZrW2O8）です。材料は高温では分解しますが、0.3 ～ 1050 K の温度範囲では収縮し続けます。ジルコニウム酸タンタル酸塩に加えて、HfV2O7 や ZrV2O7 などの他の化合物も NTE 挙動を示し、エンジニアリング用途での可能性を示しています。特殊セラミック、炭素繊維、特定の鉱物結晶（石英など）も、特定の温度範囲内で負の熱膨張を示します。
負の熱膨張は多くの材料で観察されます。ALLVAR 合金 30 などの一部の特殊材料は、20°C で -30 ppm/°C の瞬間熱膨張係数を示すため、航空宇宙や光学分野で広く使用されています。 。
応募の見通し
負の熱膨張材料は、通常の正の熱膨張材料と複合して、材料全体の熱膨張係数を調整することができます。この特性は、精密機器や熱的に安定したジョイントなど、熱膨張ゼロが求められるエンジニアリング用途では特に重要です。たとえば、ガラスセラミックコンロは、さまざまな相の膨張特性を利用して割れのリスクを補い、回避することで、調理中の最大の温度変化に耐えることができます。歯科充填材は、複合材料の形で歯の熱膨張特性に応じて正確に設計され、患者の不快感を軽減することもできます。
科学技術の進歩に伴い、負の熱膨張の研究と応用は徐々に注目を集めるようになり、将来の材料設計とエンジニアリングの応用に新たな機会をもたらしています。可能性に満ちたこれらの素材の背後には、私たちがまだ探求するのを待っている神秘的な科学的原理がいくつあるのでしょうか?
