Perfektný objav: Kov bez tepelnej rozťažnosti: Zliatina štyroch kovov zostáva takmer nezmenená aj pri teplotnom rozdiele 400 stupňov

Výskumníci vyvinuli kovovú zliatinu, ktorá zostáva prakticky nezmenená aj pri drastických teplotných rozdieloch. Materiál, nazvaný „pyrochlórový magnet“, sa pri zmene teploty o 400 stupňov rozťahuje o menej ako jednu desaťtisícinu percenta – čo je rekord. Táto pozoruhodná stabilita je možná vďaka magnetickému efektu, ktorý síce nebráni tepelnej rozťažnosti, ale ju kompenzuje. Vďaka tomu zostáva zliatina celkovo konštantná.

Či už ide o oceľ, meď alebo zlato: Väčšina kovov sa pri zahrievaní rozťahuje. Preto je napríklad Eiffelova veža v lete asi o desať až pätnásť centimetrov vyššia ako v zime.

„Čím vyššia je teplota v materiáli, tým viac sa atómy pohybujú, a preto potrebujú viac priestoru,“ vysvetľuje spoluautor Sergij Chmelevskij z TU Wien.

Čo však nie je problémom pre Eiffelovu vežu, môže byť osudné pre mnohé high-tech aplikácie – napríklad vo vesmírnom cestovaní, lietadlách alebo pre presné súčiastky v mikrorozsahu.

Čo sa skrýva za invarovým efektom?

Vedci zaoberajúci sa materiálmi už dlho hľadajú kovové zliatiny, ktoré sa čo najmenej menia aj pri extrémnych teplotných výkyvoch. Jednou z takýchto zliatin je invar, objavený v roku 1896, zlúčenina pozostávajúca zo 65 percent železa a približne 35 percent niklu. Vykazuje extrémne nízku tepelnú rozťažnosť. Nie je to spôsobené zníženým pohybom atómov kovu v kryštálovej mriežke, ale skôr druhým, magnetickým efektom. Pri tomto efekte sa magnetické odpudzovanie medzi atómami znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čím pôsobí proti tepelnej rozťažnosti.

Presné fungovanie invarového efektu a spôsoby jeho ďalšej optimalizácie však zostávajú nejasné. Tím vedený Chmelevskym a prvým autorom Yanmingom Sunom z Univerzity vedy a techniky v Pekingu teraz našiel odpoveď. Pomocou komplexných počítačových simulácií zrekonštruovali procesy v invarovom materiáli. To odhalilo, že za invarový efekt je zodpovedná zmena správania určitých elektrónov v materiáli.

„Po prvýkrát máme teóriu, ktorá dokáže priniesť konkrétne predpovede pre vývoj nových materiálov so zanedbateľnou tepelnou rozťažnosťou,“ hovorí Chmelevskyj.

Dokonalá zmes štyroch kovov

Na základe týchto zistení tím vyvinul kovovú zliatinu, ktorá je ešte teplotne stabilnejšia ako Invar. Nová zliatina pozostáva zo zmesi štyroch kovov: zirkónia, nióbu, železa a kobaltu. „Výsledkom je materiál s extrémne nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti – v bezprecedentne širokom teplotnom rozsahu, od približne mínus 270 stupňov Celzia do plus 150 stupňov Celzia,“ informuje Sunov kolega Yili Cao.

Konkrétne, aj pri zahriatí na 400 stupňov sa nový materiál roztiahne len o približne jednu desatisícinu percenta, ako ukázali testy. Vďaka tomu je zliatina dokonale vhodná pre aplikácie, kde si súčiastky musia zachovať svoj tvar napriek veľkým teplotným výkyvom, ako napríklad v letectve, kozmickom priemysle alebo pri výrobe vysoko presných elektronických súčiastok.