Vi vet äntligen varför vissa legeringar inte expanderar när de värms upp.

By | August 1, 2023

När du värmer upp saker expanderar de. Det är därför varm luft stiger och varför broar ibland böjer sig under mycket varma dagar. Det finns ett undantag – avgörande för mycket av livet på jorden – för vatten vid nära fryspunkten, men annars är mönstret nästan universellt. 1895 upptäckte Charles-Edouard Guillaume att en blandning av järn och nickel representerar ett annat undantag, vilket först nu har förklarats. Svaret kan ha vissa tillämpningar för att göra exakta instrument och bygga infrastruktur.

Is, ovanligt för ett fast ämne, är mindre tät än vätskan den fryser ur, och vatten som är kallare än 4°C (39°F) måste expandera för att närma sig den punkten när det svalnar. Detta är inte fallet för legeringen som upptäcktes av Guillaume, känd som Invar, och inte heller för några andra som kollektivt kallas invars. För det första, till skillnad från kallt vatten, krymper inte invars när de värms upp, de förblir bara i samma storlek. De gör detta också över ett mycket bredare temperaturområde än vattenavvikelsen 0-4°C.

Vad som är ännu konstigare är att järn och nickel expanderar som andra element med självrespekt vid upphettning, liksom de flesta kombinationer av de två metallerna. Det är bara i specifika proportioner, såsom 13 järnatomer för varje sjunde nickelatom, som ingen förändring sker när värme appliceras. Samma effekt har visats i olika andra legeringar, såsom de korrekta proportionerna mellan järn och bly eller platina.

Stefan Lohaus är en Caltech-student som arbetar med anomalien. För att förklara det var Lohaus och hans handledare, professor Brent Fultz, tvungna att gå tillbaka till orsaken till att utöka det mesta av materialet. Värme är relaterat till entropi, mängden oordning i ett system. Om ett materials temperatur ökar, engagerar dess atomer en ökning av slumpmässig rörelse som, i det normala händelseförloppet, tvingar dem att dra isär ännu mer.

Invars, så vitt vi vet, har ett av få ferromagnetiska element som huvudingrediens, vilket tyder på att magnetism är en del av förklaringen. Guillaume vann Nobelpriset i fysik 1920 för att ha insett detta, liksom hans ursprungliga upptäckt, men han kunde aldrig helt förklara hur magnetism ger effekten.

“Vi bestämde oss för att undersöka detta eftersom vi har en mycket elegant experimentell uppställning som kan mäta både magnetism och atomvibrationer,” sa Lohaus i ett uttalande. Installationen innebar att man pressade Invar upp till 200 000 gånger atmosfärstrycket med hjälp av diamantstäd och passerande röntgenstrålar för att spåra hur mycket atomerna vibrerade.

Magnetism (ifall den galna clownen Posse vill ha ett svar) är resultatet av elektronens spinntillstånd. Teamet fann att magnetiska effekter ordnar beteendet hos Invar-atomer på ett sätt som balanserar entropin hos den extra värmen. När de är kalla har elektronerna i Invars yttre skal gemensamma spinntillstånd, vilket trycker isär dem – och därför deras atomer.

Vid högre temperaturer bryts ordningen, med några elektroner som skiftar till det motsatta spinntillståndet, vilket gör att atomerna kan röra sig närmare varandra. I vilken utsträckning detta händer balanserar exakt den hastighet med vilken atomernas vibrationer drar isär dem. Förhållandet gäller eftersom atomvibrationer inte är kontinuerliga utan fungerar i kvantiserade lägen som kallas fononer.

“Det finns bokstavligen tusentals publikationer som försöker visa hur magnetism orsakar sammandragning, men det har inte funnits en holistisk förklaring av Invar-effekten,” sa Lohaus.

Förhållandet bryts ner vid tryck över 3 Gigapascal, men eftersom det är nästan 30 000 gånger atmosfärstrycket eller nästan hundra gånger vad som krossade OceanGates Titan, är det i allmänhet inte ett problem i vardagen.

Invar-beteendet kan vara ganska användbart. Heta temperaturer orsakar allvarliga problem när metaller expanderar mer än förväntat, något som sker med ökande frekvens. Väderkatastrofer är när det är viktigast att infrastrukturen fortsätter att fungera, och legeringar som inte är känsliga för värme kan spela en roll i det.

Även om vi inte behöver förstå varför de fungerar för att kunna använda dem, ger det verkligen en större känsla av förtroende för det som en gång såg misstänkt ut som magi. Dessutom hoppas Lohaus, Fultz och medförfattarna att deras arbete kommer att förbättra vår förståelse för termisk expansion i andra material som kan magnetiseras.

Studien publicerades med öppen tillgång i tidskriften Nature Physics.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *