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과학자들의 획기적인 발견: 단일 물질에서 음의 열팽창이라는 놀라운 현상을 어떻게 구현할 수 있을까?
음의 열팽창(NTE)은 일부 재료가 대부분의 다른 재료처럼 팽창하는 것과 달리 가열하면 수축하는 특이한 물리화학적 과정입니다. 이 현상의 가장 유명한 예는 0~3.98°C 사이에서 행동하는 물입니다. 표준 압력에서 고체 물(얼음)의 밀도는 액체 물의 밀도보다 낮습니다. 이로 인해 물의 NTE 현상이 발생하고 얼음이 가라앉지 않고 물 표면에 떠 있게 됩니다.
음의 열 팽창을 달성할 수 있는 재료는 엔지니어링, 광전자, 전자 및 구조 응용 분야에서 광범위한 잠재력을 가질 수 있습니다.
연구에 따르면 일부 재료를 열 팽창 보상 재료로 사용하고 정상적으로 팽창하는 재료와 혼합하면 열 팽창이 맞춤화되거나 거의 0에 가까운 복합 재료를 생산할 수 있다고 합니다.
부정열팽창의 기원
음의 열팽창은 측면 진동 모드, 강체 단위 모드, 위상 변화 등 여러 가지 물리적 과정으로 인해 발생합니다. 2011년 연구자들은 NTE 현상이 안정된 상 매트릭스에서 열적 변동을 통해 나타나는 고압, 저부피 구성의 존재로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다. 이를 통해 특정 물질에서 발생하는 엄청난 양의 열 팽창(염화 몰리브덴에서)과 무한한 음의 열 팽창(Fe3Pt에서)을 예측할 수 있었습니다.
폐쇄 시스템에서의 음의 열팽창
음의 열 팽창은 일반적으로 얼음, 그래핀 등과 같은 비밀집 계에서 관찰됩니다. 하지만 최근 논문에서는 단일 구성 요소의 밀집된 격자에서도 NTE 거동을 달성할 수 있다는 것을 보여줍니다. 본 논문에서는 NTE 현상이 기본 거리에서 발생할 수 있는 잠재적인 충분 조건을 제안하는데, 이를 위해서는 원자 간의 상호 작용을 고려해야 합니다.
이 현상은 1차원에서는 필요충분 조건이지만, 2차원과 3차원에서는 충분 조건일 뿐 필요조건은 아닙니다.
음의 열팽창을 갖는 재료
아마도 가장 많이 연구된 음의 열팽창 물질은 니오븀 텅스텐산염(ZrW2O8)일 것입니다. 이 화합물은 0.3~1050K의 온도 범위에서 계속 수축합니다. NTE 특성을 나타내는 다른 물질로는 AM2O8 계열의 다른 물질과 HfV2O7, ZrV2O7 등이 있습니다. 이들 재료는 균질하기 때문에 엔지니어링 응용 분야에서 가치가 있는데, 3차원에서 NTE가 일정하기 때문에 열 팽창 보상재로 사용하기 쉽습니다.
낮은 온도의 얼음은 음의 열팽창 특성을 보이는데, 이는 공학에 매우 유용합니다.
응용 가능성
전통적인 양의 열 팽창 재료와 비정상적인 음의 열 팽창 특성을 지닌 재료를 결합하면 복합 재료의 전체 열 팽창률을 조절하는 데 도움이 되며 열 팽창률을 거의 0에 가깝게 달성할 수도 있습니다. 이것은 특히 엔지니어링, 특히 정밀 계측 응용 분야에서 매우 중요합니다. 왜냐하면 재료가 넓은 온도 범위에서도 안정적인 특성을 유지해야 하기 때문입니다.
일상 생활에서도 열팽창이 없는 소재에 대한 수요는 매우 큽니다. 예를 들어, 세라믹 유리 스토브는 급격한 온도 변화를 견뎌야 합니다. 또한, 치아의 팽창 속도와 크게 다른 속도로 팽창하는 치과 충전물은 치통을 유발할 수 있으므로, 치아 법랑질과 함께 팽창하도록 설계된 복합 재료를 사용하면 이 문제를 피할 수 있습니다.
이러한 물질의 기적적인 현상에 직면하여, 과학계는 어떻게 이 연구의 경계를 더욱 확장할 것인가?
