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부정적 열팽창의 신비한 세계: 일부 재료는 가열되면 왜 수축될까?
우리는 일상생활 속에서 물질이 가열되면 팽창하는 것을 자주 관찰합니다. 그러나 일부 재료는 정반대 행동을 보이며, 가열하면 실제로 수축됩니다. 이런 현상을 부정적 열팽창(NTE)이라고 합니다. 이러한 특별한 물리적 변화는 과학자와 엔지니어에게 흥미로운 연구 주제를 제공하며, 많은 분야에 잠재적인 응용 가능성을 보여줍니다.
음의 열 팽창은 대부분의 재료에서 나타나는 팽창 거동과 달리 특정 재료가 가열되면 수축하는 특이한 물리화학적 과정입니다.
음의 열팽창을 갖는 가장 유명한 물질 중 하나는 물인데, 물은 0~3.98도 섭씨의 범위에서 이러한 특성을 보입니다. 얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아서 얼음 조각이 물 위에 떠 있습니다. 이런 특징은 자연계에서 매우 중요한 의미를 가질 뿐만 아니라, 공학 분야에 많은 새로운 아이디어를 제공합니다. 음의 열팽창 재료와 일반적인 양의 열팽창 재료를 혼합하면 서로 다른 재료로 구성된 복합 재료를 정밀하게 조정하거나 거의 0에 가까운 열팽창을 달성하는 열팽창 보정재로 사용할 수 있습니다.
부정열팽창의 기원
음의 열팽창 현상은 측면 진동 모드, 강체 단위 모드, 위상 변화를 포함한 다양한 물리적 과정으로 인해 발생합니다. 이 연구는 음의 열 팽창이 열 변동을 통해 안정된 상의 매트릭스에 존재하는 고압, 소형 구성의 높은 엔트로피 존재로 인해 발생한다는 것을 보여주었습니다. 이 과정을 통해 특정 재료(예: 바륨)의 엄청난 양의 열 팽창과 Fe3Pt와 같은 0 또는 무한한 음의 열 팽창을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 재료를 설계할 수 있는 기반을 마련할 수 있습니다.
밀집된 시스템에서의 음의 열팽창일부 재료는 내부 미세 구조의 설계로 인해 큰 음의 열 팽창이나 양의 열 팽창을 보일 수 있습니다.
음의 열 팽창은 일반적으로 얼음이나 그래핀과 같이 밀도가 낮고 방향성 상호 작용이 있는 시스템에서 관찰됩니다. 그러나 최근 연구에 따르면 단일 성분의 밀집 결정 구조에서도 음의 열 팽창이 달성될 수 있다고 합니다. 즉, NTE의 행동은 특정 상호작용이 있는 특정 시스템에서도 관찰할 수 있으며, 이를 통해 과학 연구의 지평을 넓힐 수 있습니다.
음성 열팽창 재료의 종류
음의 열팽창 재료 연구에서 지르코네이트 탄탈레이트(ZrW2O8)는 가장 주목을 받는 재료입니다. 해당 재료가 더 높은 온도에서 분해되더라도, 0.3~1050K의 온도 범위에서는 계속 수축합니다. 지르코네이트 탄탈레이트 외에도 HfV2O7 및 ZrV2O7와 같은 일부 다른 화합물도 NTE 거동을 나타내어 엔지니어링 응용 분야에서 잠재력이 있음을 보여줍니다. 특수 세라믹, 탄소 섬유 및 일부 미네랄 결정(예: 석영)도 특정 온도 범위 내에서 음의 열 팽창을 보입니다.
음의 열 팽창은 많은 재료에서 관찰됩니다. ALLVAR 합금 30과 같은 일부 특수 재료는 20°C에서 -30 ppm/°C의 순간 열 팽창 계수를 나타내므로 항공우주 및 광학 분야에서 널리 사용됩니다. .
응용 프로그램 전망
음의 열 팽창 재료는 일반적인 양의 열 팽창 재료와 합성을 형성하여 재료의 전체 열 팽창 계수를 조절할 수 있습니다. 이러한 속성은 정밀 기기나 열적으로 안정적인 조인트와 같이 열 팽창이 전혀 필요하지 않은 엔지니어링 응용 분야에서 특히 중요합니다. 예를 들어, 유리 세라믹 호브는 요리하는 동안 가장 큰 온도 변화를 견딜 수 있으며, 다양한 상의 팽창 특성을 이용하여 균열 위험을 보상하고 방지합니다. 치과 충전재료는 환자의 불편함을 줄이기 위해 복합재료 형태로 치아의 열팽창 특성에 따라 정밀하게 설계될 수도 있습니다.
과학기술의 발전으로 음의 열팽창에 대한 연구와 응용이 점차 주목을 받고 있으며, 미래의 소재 설계와 엔지니어링 응용 분야에 새로운 기회를 제공하고 있습니다. 잠재력이 넘치는 이 소재들 뒤에는 얼마나 많은 신비한 과학 원리가 숨겨져 있고, 아직 우리가 탐구해야 할 것들이 있을까요?
