Language
Country/Area
No result found
Đột phá của các nhà khoa học: Làm thế nào để đạt được hiện tượng giãn nở nhiệt âm tuyệt vời trong một chất duy nhất?
Giãn nở vì nhiệt âm (NTE) là một quá trình lý hóa học bất thường trong đó một số vật liệu co lại khi được đun nóng, thay vì giãn nở như hầu hết các vật liệu khác. Ví dụ nổi tiếng nhất của hiện tượng này là nước, có nhiệt độ từ 0 đến 3,98°C. Mật độ của nước rắn (nước đá) thấp hơn mật độ của nước lỏng ở áp suất chuẩn, đây chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng NTE của nước, khiến nước đá nổi trên mặt nước thay vì chìm.
Vật liệu có khả năng giãn nở nhiệt âm có thể có tiềm năng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật, quang điện tử, điện tử và kết cấu.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi một số vật liệu được sử dụng làm vật liệu bù giãn nở nhiệt và trộn với các vật liệu giãn nở bình thường thì có thể sản xuất ra vật liệu composite có độ giãn nở nhiệt tùy chỉnh hoặc gần bằng không.
Nguồn gốc của sự giãn nở nhiệt âm
Nguồn gốc của sự giãn nở nhiệt âm có thể được quy cho một số quá trình vật lý, bao gồm các chế độ rung ngang, chế độ đơn vị cứng và các thay đổi pha. Năm 2011, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hiện tượng NTE phát sinh từ sự tồn tại của các cấu hình áp suất cao, thể tích thấp xuất hiện thông qua các biến động nhiệt trong ma trận pha ổn định. Điều này cho phép họ dự đoán sự giãn nở nhiệt dương cực lớn (trong molypden clorua) và sự giãn nở nhiệt âm vô hạn (trong Fe3Pt) xảy ra trong một số vật liệu nhất định.
Sự giãn nở nhiệt âm trong một hệ thống kín
Sự giãn nở nhiệt âm thường được quan sát thấy trong các hệ thống không đóng gói chặt chẽ, chẳng hạn như băng, graphene, v.v. Nhưng một bài báo gần đây cho thấy rằng các mạng lưới được đóng gói chặt chẽ của một thành phần duy nhất cũng có thể đạt được hành vi NTE. Bài báo này đề xuất một điều kiện đủ tiềm năng để hiện tượng NTE xảy ra ở khoảng cách cơ bản, đòi hỏi phải tính đến sự tương tác giữa các nguyên tử.
Hiện tượng này là cần thiết và đủ ở một chiều, nhưng chỉ đủ chứ không cần thiết ở hai và ba chiều.
Vật liệu có độ giãn nở nhiệt âm
Có lẽ vật liệu giãn nở nhiệt âm được nghiên cứu nhiều nhất là niobi tungstat (ZrW2O8). Hợp chất này tiếp tục co lại ở phạm vi nhiệt độ từ 0,3 đến 1050 K. Các vật liệu khác thể hiện tính chất NTE bao gồm các thành viên khác của họ AM2O8 cũng như HfV2O7 và ZrV2O7, cùng một số vật liệu khác. Tính đồng nhất của các vật liệu này làm cho chúng có giá trị trong các ứng dụng kỹ thuật vì NTE của chúng đồng nhất trong ba chiều, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng chúng làm bộ bù giãn nở nhiệt.
Băng ở nhiệt độ thấp cũng thể hiện tính chất giãn nở vì nhiệt âm, rất hữu ích trong kỹ thuật.
Triển vọng ứng dụng
Kết hợp vật liệu giãn nở nhiệt dương truyền thống với vật liệu có đặc tính giãn nở nhiệt âm bất thường sẽ giúp điều chỉnh tốc độ giãn nở nhiệt tổng thể của vật liệu composite và thậm chí đạt được tốc độ giãn nở nhiệt gần bằng 0. Điều này đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật, ví dụ như trong các ứng dụng đo lường chính xác, khi vật liệu được yêu cầu duy trì các đặc tính ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng.
Trong cuộc sống hàng ngày, nhu cầu về vật liệu không giãn nở vì nhiệt cũng rất đáng kể. Ví dụ, bếp gốm thủy tinh phải chịu được sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Ngoài ra, miếng trám răng có tốc độ giãn nở khác biệt đáng kể so với răng có thể gây đau răng, do đó, sử dụng vật liệu composite được thiết kế để giãn nở cùng với men răng có thể tránh được vấn đề này.
Trước những hiện tượng kỳ diệu của những vật liệu này, cộng đồng khoa học sẽ mở rộng hơn nữa ranh giới của nghiên cứu này như thế nào?
