Rozszerza się, gdy inne się kurczą

| Astronomia/fizyka
domediart; Flickr

Większość materiałów kurczy się pod wpływem zimna i rozszerza pod wpływem ciepła. Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją, dlaczego ciała stałe zachowują się w ten sposób. Tymczasem fizyk Jason Hancock z University of Connecticut bada substancję, która kurczy się pod wpływem ciepła, a rozszerza pod wpływem zimna. Badania nad trifluorkiem skandu pomogą zrozumieć, dlaczego wraz ze zmianą temperatury zmienia się objętość, a to z kolei pomoże tworzyć bardziej wytrzymałe materiały.
Ciała stałe zbudowane są z atomów połączonych za pomocą wiązań sieci krystalicznej. Jako, że każde z tych wiązań, gdy się rozszerza, oddziałuje na wiązania sąsiednie, a wszystkie rozszerzają się tak samo i oddziałują na sąsiadów z taką samą siłą, materiał nie powinie się ani rozszerzać ani kurczyć. W wielu zastosowaniach taki model się sprawdza. Wyjaśnia rozpraszanie neutronów i promieniowania rentgenowskiego oraz wiele innych zjawisk optycznych, wyjaśnia prędkość fal dźwiękowych, elastyczność i przewodnictwo cieplne, nawet temperaturę graniczną w niektórych nadprzewodnikach - mówi Hancock. Nie wyjaśnia jednak, dlaczego materiały zmieniają objętość pod wpływem temperatury.

Hancock i jego student Sahan Handunkanda postanowili więc przyjrzeć się trifluorkowi skandu w nadziei, że jego nietypowe właściwości pozwolą na wyjaśnienie zagadki rozszerzalności cieplnej. Trifluorek skandu zachowuje się naprawdę niezwykle. Nie tylko znacznie kurczy się gdy jest podgrzewany nawet do 1100 kelwinów (826 stopni Celsjusza), ale zachowuje stabilną strukturę krystaliczną od niemal zera absolutnego do 1800 kelwinów (1527 stopni Celsjusza), kiedy to zaczyna się topić. Niewiele materiałów jest tak stabilnych. W większości dochodzi do jakiejś zmiany fazy i przemieszczania się atomów.

Amerykanie uzyskali doskonały kryształ trifluorku skandu z Kireńskiego Instytutu Fizyki w Krasnojarsku i poddali go badaniom za pomocą promieniowania rentgenowskiego w Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory. Badania wykazały, że molekuły trifluorku skandu wydają się obracać w miejscu, nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Cała struktura jest bardziej "miękka" niż większość materiałów w temperaturze 0 kelwinów. Ta "miękkość" wskazuje, że materiał jest na krawędzi zmiany fazy, ale do zmiany tej nigdy nie dochodzi. Taka zmiana w tak niskiej temperaturze to kwantowe przejście fazowe, które jest przedmiotem bardzo intensywnych badań.

Dane uzyskane podczas badania trifluorku skandu sugerują, że istnieje bardzo silny związek pomiędzy siłami kwantowymi, a kurczeniem się materiału w miarę jego ogrzewania się. Hancock i Handunkanda zapowiadają dalsze badania nad tym zjawiskiem.

Autor:

Źródło: Science Daily

trifluorek skandu badania siły kwantowe