โลหะส่วนใหญ่ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง อย่างไรก็ตาม โลหะบางชนิดกลับทำตรงกันข้าม โดยแสดงสิ่งที่เรียกว่าการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ (NTE) ทีมนักวิจัยที่นำในสหรัฐอเมริกาได้พบว่าในโลหะดังกล่าวชนิดหนึ่งที่เจือด้วย มีความเชื่อมโยงกับปรากฏการณ์ควอนตัมหลายตัวที่เรียกว่า งานนี้สามารถพัฒนาโลหะผสมที่การขยายตัวทางบวกและทางลบหักล้าง
ซึ่งกันและกัน
ทำให้เกิดวัสดุคอมโพสิตที่มีการขยายตัวทางความร้อนสุทธิเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นลักษณะที่ต้องการอย่างมากสำหรับการใช้งานในอวกาศและด้านอื่น ๆ ของการผลิตไฮเทค แม้จะอยู่ในตระกูลของวัสดุ NTE SmS ที่เจือด้วยอิตเทรียมก็ยังเป็นค่าที่ผิดปกติ โดยค่อยๆ ขยายตัวได้ถึง 3% เมื่อเย็นลงกว่าสองสามร้อยองศา
เพื่อทำความเข้าใจกลไกที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรม NTE ที่ “ใหญ่โต” นี้ ใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และสเปกโทรสโกปีเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ นักวิจัยได้ดำเนินการทดลองครั้งแรกที่ ลำแสงที่แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติพวกเขาวางตัวอย่าง SmS ไว้
ในเครื่องทำความเย็นแบบเย็นด้วยฮีเลียมเหลวในลำแสงของรังสีเอกซ์ซินโครตรอน และวัดว่ารังสีเอกซ์กระจายออกจากเมฆอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอมไอออนอย่างไร ด้วยการติดตามว่ารังสีเอกซ์เหล่านี้กระจายตัวอย่างไร พวกเขาระบุตำแหน่งของอะตอมในโครงสร้างผลึกและระยะห่างระหว่างพวกมัน
“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิลดลง อะตอมของวัสดุนี้จะเคลื่อนที่ออกจากกันมากขึ้น ทำให้วัสดุทั้งหมดขยายตัวได้ถึง 3% ในปริมาตร” มิลินดา เอบีย์คูน นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของบีมไลน์
การทดลองชุดที่สองเกิดขึ้นที่ซินโครตรอน SOLEILในประเทศฝรั่งเศส และซินโครตรอน
ในประเทศญี่ปุ่น การวัดเหล่านี้ใช้ เพื่อติดตามว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนเข้าหรือออกจากเปลือกนอกสุด (วาเลนซ์) ของอะตอม Sm ซึ่งเหลืออยู่ไม่ถึงครึ่งหรือไม่ อธิบาย นักวิจัยพบว่าอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านโลหะ SmS กำลังเดินทางเข้าสู่เวเลนซ์เชลล์ ทำให้วัสดุทั้งหมดขยายตัวเมื่อเมฆอิเล็กตรอนของอะตอม
แต่ละอะตอม
ขยายตัวเพื่อรองรับอิเล็กตรอนที่เข้ามาเพิ่มเติม อะตอม Sm ทำหน้าที่เป็นสิ่งเจือปนแม่เหล็กขนาดเล็กนักวิจัยกล่าวว่าพฤติกรรมนี้อธิบายได้จาก ซึ่งอธิบายว่าอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งเจือปนแม่เหล็กในวัสดุอย่างไร ในระหว่างการโต้ตอบดังกล่าว อิเล็กตรอนจะจัดแนวสปินของพวกมัน
ในลักษณะที่ต่อต้านการหมุนของอนุภาคแม่เหล็กที่ใหญ่กว่า ซึ่งจะ “กรองออก” หรือยกเลิกอำนาจแม่เหล็กของมันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ใน SmS วาเลนซ์เชลล์เพียงไม่ถึงครึ่งของอะตอม Sm แต่ละอะตอมทำหน้าที่เป็นสิ่งเจือปนแม่เหล็กขนาดเล็กที่ชี้ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งนักฟิสิกส์
เชิงทฤษฎีที่ผู้ร่วมมือกับ อธิบาย เนื่องจาก SmS เป็นโลหะ จึงประกอบด้วยอิเล็กตรอนตัวนำเคลื่อนที่ที่สามารถเข้าใกล้และหักล้างโมเมนต์แม่เหล็กของสิ่งเจือปนได้ จากนั้นอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่เข้าไปในเวเลนซ์เชลล์ เติมเต็มและนำไปสู่การขยายตัวของวัสดุ สำรวจวัสดุจากธาตุหายากอื่นๆการคำนวณ
ชี้ให้เห็นว่าแอมพลิจูดของ NTE นี้สามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนปริมาณของอิตเทรียมโดป แม้ว่า จะสังเกตว่าสมมติฐานนี้จำเป็นต้องได้รับการทดสอบเพิ่มเติม นักวิจัยยังคาดการณ์ว่าโลหะธาตุหายากอีกสองชนิด ได้แก่ ทูเลียมและอิตเทอร์เบียม ควรแสดง NTE ที่ขับเคลื่อนด้วยเอฟเฟกต์
งานวิจัย
ปัจจุบันซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในจดหมายทบทวนทางกายภาพอาจมีความสำคัญต่อการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตที่มีการขยายตัวทางความร้อนใกล้ศูนย์ วัสดุดังกล่าวจะมีโลหะผสมที่ขยายตัวด้านหนึ่งและหดตัวอีกด้านหนึ่งเมื่อเย็นลง ทำให้ขนาดโดยรวมเท่ากัน วัสดุประเภทนี้สามารถใช้ทำชิ้นส่วนโลหะ
ในปีกเครื่องบิน ซึ่งมักประกอบด้วยวัสดุผสมหรือโลหะผสมที่มีคุณสมบัติการขยายตัวตรงข้ามกัน เพื่อป้องกันการหดตัวที่เป็นอันตรายในอุณหภูมิต่ำที่พบในระดับความสูง การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ การสัมผัสที่คงที่ต่ออุณหภูมิในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่หมุนเวียนด้วยความร้อนและวัสดุพื้นผิว
สำหรับกระจกในกล้องโทรทรรศน์และดาวเทียม ค่าสัมประสิทธิ์ และกลุ่มอื่นๆ ได้รายงานสำหรับ SmS ที่เจือด้วยอิตเทรียมนั้นมากพอที่จะตอบสนองแม้กระทั่งแอปพลิเคชันเทคโนโลยีที่มีความต้องการมากที่สุด แต่ Jarrige ยอมรับว่าค่าใช้จ่ายที่สูงของ Sm อาจจำกัดการใช้งาน
“นี่คือเหตุผลว่าทำไมการสำรวจวัสดุจากธาตุหายากอื่นๆ จึงเป็นเรื่องสำคัญ เพื่อทำความเข้าใจว่าผลกระทบของ Kondo สามารถกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงระดับมหภาคอย่างมากในวัสดุได้อย่างไร” เขากล่าว “การศึกษาเหล่านี้สามารถช่วยเราหาทางเลือกที่ถูกกว่าสำหรับ SmS ที่เจือด้วย Y”
นักฟิสิกส์ควรแสดงแนวร่วมด้วยเช่นกัน รายงานระบุ มิฉะนั้นพวกเขาจะเสี่ยงต่อ ‘การต่อสู้แบบเศษส่วน’โดยไม่มีการเปลี่ยนสีหรือการสะท้อนแสง หลังจากวางไว้กลางแจ้งหรือในเตาอบที่อุณหภูมิ 60 °C เป็นเวลา 30 วันและ กล่าวว่าเป็นเรื่องน่าสนใจที่จะดูว่าขนาดของการขยายตัวนั้นใหญ่
เทคนิคที่สองใช้ตัวอย่างสารประกอบเดียวกันหลายตัวอย่างแต่มี ‘พื้นผิว’ ที่มีโครงสร้างต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ไม่สามารถซื้อเทคโนโลยีราคาแพงที่พบในอุทยานแห่งชาติครูเกอร์และเขตสงวนเอกชนบางแห่ง ”เท่ากับใน Sm หรือไม่ ในโลหะหายากอื่นๆ ที่ศึกษาจนถึงตอนนี้
อาศัยรังสีเอกซ์สีเดียวที่มีขนานสูง ซึ่งสร้างขึ้นจากแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ซินโครตรอนเข้มข้น ลักษณะที่แม่นยำของลำแสงช่วยให้นักวิจัยสามารถค้นพบการกระจายตัวของการวางแนวของผลึกได้ การหมุนตัวอย่างในลำแสง พวกเขาสามารถรวบรวมรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกันได้จำนวนหนึ่ง
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
