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大多數(shù)金屬在加熱時(shí)都會(huì)膨脹，但英卡爾等材料卻會(huì)因磁序變化而抵制這種膨脹。 維也納科技大學(xué)和北京科技大學(xué)的研究人員利用模擬來理解這種效應(yīng)，從而開發(fā)出了一種在寬溫度范圍內(nèi)具有更好熱穩(wěn)定性的熱綠石磁體。 資料來源：維也納科技大學(xué)

因此，研究人員長(zhǎng)期以來一直在尋找無論溫度如何都能保持恒定長(zhǎng)度的材料。 因瓦合金（不變鋼）就是這樣一種材料，它是一種鐵鎳合金，以極低的熱膨脹率而著稱。 然而，直到最近，這種特性的物理解釋仍不清楚。

現(xiàn)在，維也納技術(shù)大學(xué) (TU Wien) 的理論研究人員與北京科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)人員合作取得了重大突破。利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，他們?cè)敿?xì)揭示了因瓦合金效應(yīng)，并開發(fā)出了一種所謂的燒綠石磁體——一種熱膨脹性能甚至比因瓦合金更好的合金。在超過 400 開爾文的極寬溫度范圍內(nèi)，其長(zhǎng)度變化幅度僅為每開爾文約萬(wàn)分之一。

熱膨脹及其對(duì)立面

"材料的溫度越高，原子移動(dòng)的趨勢(shì)就越大，而原子移動(dòng)越大，就需要更多的空間。 它們之間的平均距離就會(huì)增加，"維也納理工大學(xué)維也納科學(xué)集群（VSC）研究中心的 Sergii Khmelevskyi 博士解釋道。"這種效應(yīng)是熱膨脹的基礎(chǔ)，無法避免。 但是，我們可以制造出這樣的材料，它幾乎可以完全被另一種補(bǔ)償效應(yīng)所抵消"。

Segii Khmelevskyi 和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，可用于分析磁性材料在有限溫度下的原子級(jí)行為。Khmelevskyi 說："這使我們能夠更好地理解因瓦幾乎不膨脹的原因。這種效應(yīng)是由于某些電子在溫度升高時(shí)改變了它們的狀態(tài)。 材料中的磁序減少，導(dǎo)致材料收縮。 這種效應(yīng)幾乎完全抵消了通常的熱膨脹"。

人們已經(jīng)知道，材料中的磁性秩序是產(chǎn)生因瓦效應(yīng)的原因。 但只有通過維也納的計(jì)算機(jī)模擬，才有可能如此精確地了解這一過程的細(xì)節(jié)，從而對(duì)其他材料做出預(yù)測(cè)。謝爾蓋-赫梅列夫斯基說："這是第一次有理論可以具體預(yù)測(cè)熱膨脹消失的新材料的發(fā)展。"

帶有 Kagome 平面的燒綠石磁鐵

為了在實(shí)踐中檢驗(yàn)這些預(yù)測(cè)，Sergii Khmelevskyi 與北京科技大學(xué)固體化學(xué)研究所的 Xianran Xing 教授和 Yili Cao 副教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作。此次合作的成果現(xiàn)已面世：所謂的燒綠石磁鐵。

與之前僅由兩種不同金屬組成的因瓦合金不同，燒綠石磁鐵有四種成分：鋯、鈮、鐵和鈷。“這是一種在前所未有的寬溫度范圍內(nèi)具有極低熱膨脹系數(shù)的材料，”Yili Cao 說。

這種非凡的溫度行為與燒綠石磁鐵不具有完美的晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)，這種結(jié)構(gòu)并不總是以完全相同的方式重復(fù)。材料的成分并非在每個(gè)點(diǎn)都相同，它是異質(zhì)的。有些區(qū)域鈷含量稍多，有些區(qū)域鈷含量稍少。兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)溫度變化的反應(yīng)不同。這使得材料成分的細(xì)節(jié)能夠逐點(diǎn)平衡，使得整體溫度膨脹幾乎正好為零。

這種材料在溫度波動(dòng)極端或測(cè)量技術(shù)精確的應(yīng)用中可能特別有用，例如航空、航天或高精度電子元件。

編譯自/ScitechDaily