Language
Country/Area
No result found
Thế giới bí ẩn của sự giãn nở nhiệt âm: Tại sao một số vật liệu co lại khi bị nung nóng?
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường thấy vật chất nở ra khi nóng lên. Tuy nhiên, một số vật liệu lại có hành vi hoàn toàn ngược lại và thực sự co lại khi bị nung nóng. Hiện tượng này được gọi là sự giãn nở nhiệt âm (NTE). Sự thay đổi vật lý đặc biệt này cung cấp cho các nhà khoa học và kỹ sư một chủ đề nghiên cứu thú vị và cho thấy triển vọng ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực.
Sự giãn nở vì nhiệt âm là một quá trình lý hóa học bất thường trong đó một số vật liệu co lại khi chúng bị nung nóng, thay vì hiện tượng giãn nở như hầu hết các vật liệu khác.
Một trong những vật liệu nổi tiếng nhất có độ giãn nở nhiệt âm là nước, thể hiện tính chất này trong hành vi của nó trong phạm vi từ 0 đến 3,98 độ C. Đá ít đặc hơn nước ở dạng lỏng, do đó viên đá sẽ nổi trên mặt nước. Đặc điểm này không chỉ có ý nghĩa to lớn trong tự nhiên mà còn mang lại nhiều ý tưởng mới cho kỹ thuật. Việc trộn các vật liệu giãn nở nhiệt âm và các vật liệu giãn nở nhiệt dương thông thường có thể được sử dụng làm bộ bù giãn nở nhiệt để điều chỉnh chính xác các vật liệu composite được tạo thành từ nhiều vật liệu khác nhau hoặc thậm chí đạt được độ giãn nở nhiệt gần bằng không.
Nguồn gốc của sự giãn nở nhiệt âm
Hiện tượng giãn nở nhiệt âm là do nhiều quá trình vật lý khác nhau gây ra, bao gồm chế độ rung ngang, chế độ đơn vị cứng và thay đổi pha. Nghiên cứu cho thấy sự giãn nở nhiệt âm phát sinh từ sự hiện diện của entropy cao trong các cấu hình áp suất cao, thể tích nhỏ tồn tại trong ma trận các pha ổn định thông qua các biến động nhiệt. Quá trình này không chỉ cho phép dự đoán độ giãn nở nhiệt dương rất lớn của một số vật liệu nhất định (như bari) và độ giãn nở nhiệt âm bằng không và vô hạn (như Fe3Pt), mà còn đặt nền tảng cho việc thiết kế các vật liệu mới.
Sự giãn nở nhiệt âm trong các hệ thống đóng gói chặt chẽMột số vật liệu có thể biểu hiện sự giãn nở nhiệt âm và dương lớn do thiết kế cấu trúc vi mô bên trong của chúng.
Sự giãn nở nhiệt âm thường được quan sát thấy trong các hệ thống không được đóng gói chặt chẽ và có tương tác theo hướng, chẳng hạn như băng và graphene. Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất chỉ ra rằng sự giãn nở nhiệt âm cũng có thể đạt được trong cấu trúc tinh thể một thành phần, đóng gói chặt chẽ. Điều này có nghĩa là hành vi của NTE cũng có thể được quan sát trong một số hệ thống có tương tác cụ thể, do đó mở rộng phạm vi nghiên cứu khoa học.
Các loại vật liệu giãn nở nhiệt âm
Trong nghiên cứu về vật liệu giãn nở nhiệt âm, zirconat tantalat (ZrW2O8) là vật liệu được quan tâm nhiều nhất. Nó tiếp tục co lại trong phạm vi nhiệt độ từ 0,3 đến 1050 K, mặc dù vật liệu sẽ phân hủy ở nhiệt độ cao hơn. Ngoài zirconat tantalat, một số hợp chất khác, chẳng hạn như HfV2O7 và ZrV2O7, cũng thể hiện tính chất NTE, chứng tỏ tiềm năng của chúng trong các ứng dụng kỹ thuật. Gốm sứ đặc biệt, sợi carbon và một số tinh thể khoáng (như thạch anh) cũng có hiện tượng giãn nở nhiệt âm trong một phạm vi nhiệt độ nhất định.
Giãn nở nhiệt âm được quan sát thấy ở nhiều vật liệu. Một số vật liệu đặc biệt, chẳng hạn như hợp kim ALLVAR 30, thể hiện hệ số giãn nở nhiệt tức thời là -30 ppm/°C ở 20°C, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ và quang học. .
Triển vọng ứng dụng
Vật liệu giãn nở nhiệt âm có thể tạo thành vật liệu tổng hợp với vật liệu giãn nở nhiệt dương thông thường để điều chỉnh hệ số giãn nở nhiệt tổng thể của vật liệu. Tính chất này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật không yêu cầu giãn nở vì nhiệt, chẳng hạn như dụng cụ chính xác và mối nối chịu nhiệt. Ví dụ, bếp gốm thủy tinh có thể chịu được những thay đổi nhiệt độ lớn nhất trong quá trình nấu nướng, sử dụng đặc tính giãn nở của các pha khác nhau để bù đắp và tránh nguy cơ nứt vỡ. Vật liệu trám răng cũng có thể được thiết kế chính xác theo đặc tính giãn nở nhiệt của răng dưới dạng vật liệu composite để giảm bớt sự khó chịu cho bệnh nhân.
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, việc nghiên cứu và ứng dụng tính chất giãn nở nhiệt âm dần được quan tâm, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng thiết kế và kỹ thuật vật liệu trong tương lai. Có bao nhiêu nguyên lý khoa học bí ẩn ẩn sau những vật liệu đầy tiềm năng này vẫn đang chờ chúng ta khám phá?
