科學家突破熱膨脹定律 研發新型合金

科學家們最近開發出一種由多種金屬組成的新型合金，這種合金在極寬的溫度範圍內幾乎不會發生熱膨脹。大多數金屬在溫度升高時會膨脹，例如，艾菲爾鐵塔在夏季比冬季高出約10至15公分，這正是熱膨脹的結果。然而，這種效應在許多技術應用中是非常不受歡迎的，因此，研究人員長期以來一直在尋找能夠在溫度變化下保持恆定長度的材料。

其中一種材料是Invar，這是一種鐵鎳合金，以其極低的熱膨脹率而聞名。然而，直到最近，這種特性的物理解釋仍然不明確。現在，維也納科技大學（TU Wien）的理論研究人員與北京科技大學的實驗科學家合作，取得了重大突破。他們透過複雜的電腦模擬，詳細解析了Invar效應，並開發出一種稱為「焦綠石磁體」的合金，其熱膨脹效能甚至比Invar更優越。在超過400開爾文的極寬溫度範圍內，其長度變化僅為每開爾文約萬分之一。

維也納科學叢集（VSC）研究中心的研究員Sergii Khmelevskyi博士解釋道：「材料中的溫度越高，原子運動越劇烈，而當原子運動加劇時，它們需要更多的空間，平均距離也會增加。這種效應是熱膨脹的基礎，無法避免。但我們可以製造出另一種效應幾乎完全抵消這種熱膨脹的材料。」

Khmelevskyi和他的團隊開發了複雜的電腦模擬，能夠在原子層面上分析磁性材料在有限溫度下的行為。Khmelevskyi表示：「這使我們能夠更好地理解Invar幾乎不膨脹的原因。這種效應是由於某些電子在溫度升高時改變其狀態，導致材料中的磁序減少，從而使材料收縮。這種效應幾乎完全抵消了通常的熱膨脹。」

雖然已知材料中的磁序是Invar效應的原因，但只有透過維也納的電腦模擬，才能如此精確地理解這一過程的細節，從而對其他材料做出預測。Khmelevskyi說：「這是第一次，我們擁有了一種理論，可以為開發具有零熱膨脹的新材料做出具體預測。」

為了在實踐中測試這些預測，Khmelevskyi與北京科技大學固態化學研究所的Xianran Xing教授和Yili Cao助理教授合作。這項合作的成果就是所謂的「焦綠石磁體」。與之前僅由兩種不同金屬組成的Invar合金不同，焦綠石磁體由四種成分組成：鋯、鈮、鐵和鈷。Cao表示：「這是一種在極寬溫度範圍內具有極低熱膨脹係數的材料。」

這種顯著的溫度行為與焦綠石磁體不具有完美的晶格結構有關，其材料組成並非在每一點都相同，而是異質的。某些區域含有較多的鈷，某些區域則較少。這兩個子系統對溫度變化的反應不同，使得材料組成的細節能夠逐點平衡，從而使得整體的熱膨脹幾乎為零。

這種材料在極端溫度波動或精密測量技術的應用中可能特別有價值，例如在航空、航天或高精度電子元件中。

參考文獻：Yanming Sun, Ruohan Yu, Sergii Khmelevskyi, Kenichi Kato, Yili Cao, Shixin Hu, Maxim Avdeev, Chin-Wei Wang, Chengyi Yu, Qiang Li, Kun Lin, Xiaojun Kuang and Xianran Xing, 2024年12月17日，《國家科學評論》。DOI: 10.1093/nsr/nwae462