Большинство материалов расширяются при нагревании. Им нужно дополнительное пространство, потому что атомы внутри больше двигаются при повышении температуры. Это растяжение может быть вредным в определенных обстоятельствах, если материал находится в сложной компьютерной части или используется, например, для пломбирования ваших зубов. Новое вещество может оказаться полезным.
Вольфрамат циркония сжимается при нагревании. Обнаруженный в 1996 году этот новый материал удивил ученых, поскольку он проявлял свое странное свойство, называемое отрицательным тепловым расширением, в широком диапазоне температур.
«Никто не понимал, почему он не превратился в более плотную структуру, которая разрушила бы окружающую среду, поддерживающую отрицательное тепловое расширение», - говорит Зак Шлезингер из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Есть и другие материалы, которые испытывают отрицательное тепловое расширение, но теряют его при слишком сильном изменении температуры. Теперь Шлезингер и его коллеги думают, что они нашли причину стабильности вольфрамата циркония в том, что называется геометрическим разочарованием. Это явление немного похоже на извечную проблему попытки вставить квадратный колышек в круглое отверстие.
В случае вольфрамата циркония кристаллическую структуру можно разделить на четырехсторонние тетраэдры и восьмисторонние октаэдры. При повышении температуры эти геометрические фигуры сжимаются, но не очень хорошо совпадают. Если бы не было геометрических нарушений, вольфрамат циркония в конечном итоге перестроился бы и стал бы вести себя как большинство других материалов. По крайней мере, это гипотеза Шлезингера и его коллег, представленная в выпуске журнала Physical Review Letters.
Но почему тетраэдры и октаэдры вообще сжимаются? Шлезингер сказал, что это связано с тем, что они могут колебаться вперед и назад относительно друг друга.
В большинстве твердых тел кристаллические структуры изгибаются только под воздействием тепла. Кусочки из вольфрамата циркония тоже делают то же самое, но у них есть еще один способ перемещения. В некотором смысле это позволяет им взаимодействовать друг с другом - но не идеально.
Есть керамика, которая используется в некоторых типах кухонной посуды для выпечки, которая сжимается в одном направлении при нагревании, а расширяется в другом. Вольфрамат циркония дает одинаковую усадку во всех направлениях. При нагревании от минус 459,4 градусов по Фаренгейту до плюс 1430 градусов его объем уменьшается примерно на три процента.
Шлезингер говорит, что эта скорость сжатия сопоставима со скоростью расширения обычных материалов. По этой причине вольфрамат циркония можно смешивать с другим веществом, так что два материала компенсируют друг друга при изменении температуры, тем самым уменьшая деформации.
Помимо изготовления электронных компонентов, которые могут выдерживать больше тепла, вольфрамат циркония можно использовать для изготовления зубных пломб, которые не сломаются, когда вы пьете горячий чай после мороженого.
