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Das Geheimnis hinter Kristallen, die beim Erhitzen schrumpfen - Phys.org

Das Geheimnis hinter Kristallen, die beim Erhitzen schrumpfen - Phys.org

Das Geheimnis hinter Kristallen, die beim Erhitzen schrumpfen - Phys.org

Diese Animation zeigt, wie feste Kristalle von Scandiumfluorid beim Erhitzen schrumpfen. Während die Bindungen zwischen Scandium- (grün) und Fluoratomen (blau) relativ starr bleiben, schwingen die Fluoratome entlang der Seiten der kubischen Kristalle unabhängig voneinander, was zu einem weiten Bereich von Abständen zwischen benachbarten Fluoratomen führt. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist das Knicken an den Seiten der Kristalle, was zu dem Gesamteffekt der Kontraktion (negative Wärmeausdehnung) führt. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory              Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums verfügen über neue experimentelle Erkenntnisse und eine Vorhersage-Theorie, die ein langjähriges Rätsel der Materialwissenschaften löst: Warum bestimmte kristalline Materialien beim Erhitzen schrumpfen. Ihre gerade in Science Advances veröffentlichten Arbeiten könnten weit verbreitet sein, um Materialeigenschaften an spezifische Anwendungen in Medizin, Elektronik und anderen Bereichen anzupassen, und könnten sogar neue Einblicke in unkonventionelle Supraleiter (Materialien, die elektrischen Strom ohne Energieverlust transportieren) liefern.                                                       Die Beweise stammen aus Präzisionsmessungen der Abstände zwischen Atomen in Kristallen aus Scandiumfluorid (ScF3), einem Material, das für seine ungewöhnliche Kontraktion bei erhöhten Temperaturen bekannt ist (auch als "negative Wärmeausdehnung" bezeichnet). Was die Wissenschaftler entdeckten, ist eine neue Art von Vibrationsbewegung, die bewirkt, dass sich die Seiten dieser würfelförmigen, scheinbar festen Kristalle beim Erhitzen verbiegen und so die Ecken enger zusammenziehen. "Normalerweise dehnt sich etwas aus, wenn es sich erwärmt", sagte der Brookhaven-Physiker Igor Zaliznyak, der das Projekt leitete. "Wenn Sie etwas erhitzen, nehmen die atomaren Schwingungen zu und die Gesamtmaterialgröße nimmt zu, um den größeren Schwingungen Rechnung zu tragen." Diese Beziehung gilt jedoch nicht für bestimmte flexible Materialien, einschließlich kettenartiger Polymere wie Kunststoffe und Gummi. In diesen Materialien erhöht zunehmende Hitze die Vibrationen nur senkrecht zur Länge der Ketten (stellen Sie sich die seitlichen Vibrationen einer gezupften Gitarrensaite vor). Diese Quervibrationen ziehen die Enden der Ketten enger zusammen, was zu einer Gesamtschrumpfung führt. Aber was ist mit Scandiumfluorid? Mit einer festen, kubischen Kristallstruktur sieht es zumindest auf den ersten Blick nicht wie ein Polymer aus. Die weit verbreitete Annahme, dass die Atome in einem festen Kristall unabhängig von der Kristallgröße ihre relativen Orientierungen beibehalten müssen, ließ die Physiker irritieren, um zu erklären, wie dieses Material beim Erhitzen schrumpft. Neutronen und ein engagierter Schüler zur Rettung Eine Gruppe vom California Institute of Technology (Caltech) untersuchte dieses Rätsel mit einer Methode an der Spallation Neutron Source (SNS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Oak Ridge National Laboratory. Die Messung, wie Neutronenstrahlen, eine Art subatomares Teilchen, die Atome in einem Kristall zerstreuen, kann wertvolle Informationen über deren Anordnung auf atomarer Ebene liefern. Es ist besonders nützlich für leichte Materialien wie Fluor, die für Röntgenstrahlen unsichtbar sind, sagte Zaliznyak.                                                                                      Als Zaliznyak von dieser Arbeit hörte, stellte er fest, dass sein Kollege Emil Bozin, ein Experte für eine andere Neutronenstreuungsanalyse-Technik, wahrscheinlich das Verständnis des Problems verbessern könnte. Bozins Methode, bekannt als "Paarverteilungsfunktion", beschreibt die Wahrscheinlichkeit, zwei Atome zu finden, die durch einen bestimmten Abstand in einem Material voneinander getrennt sind. Berechnungsalgorithmen sortieren dann die Wahrscheinlichkeiten, um das Strukturmodell zu finden, das am besten zu den Daten passt. Zaliznyak und Bozin haben sich mit dem Caltech-Team zusammengetan, um Daten bei SNS zu sammeln. Dabei wurden die ScF3-Proben von Caltech verwendet, um zu verfolgen, wie sich die Abstände zwischen benachbarten Atomen mit zunehmender Temperatur verändert haben. David Wendt, ein Student, der ein Praktikum im Brookhaven Lab High School Research Program in Zaliznyaks Labor nach seinem zweiten Jahr an der High School begann (jetzt ein Neuling an der Stanford University), übernahm einen Großteil der Datenanalyse. Während seiner Schulzeit arbeitete er weiter an dem Projekt und erhielt die Position des Erstautors auf dem Papier. "David reduzierte die Daten im Grunde genommen auf die Form, die wir mit unseren Algorithmen analysieren konnten, passte die Daten an, erstellte ein Modell zur Modellierung der Positionen der Fluoratome und führte die statistische Analyse durch, um unsere experimentellen Ergebnisse mit dem Modell zu vergleichen Arbeit, die er getan hat, ist wie das, was ein guter Postdoc tun würde! " Sagte Zaliznyak. "Ich bin sehr dankbar für die Gelegenheit, die das Brookhaven Lab mir bot, durch sein High School Research Program einen Beitrag zur ursprünglichen Forschung zu leisten", sagte Wendt.                               Weitere Koautoren der Studie waren (von links) Kate Page, ehemals Oak Ridge National Laboratory, der Brookhaven Lab-Physiker Emil Bozin und der ORNL-Instrumentenforscher Jörg Neuefeind. Bildnachweis: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory              Ergebnisse: "weiche" Bewegung in einem Körper Die Messungen zeigten, dass sich die Bindungen zwischen Scandium und Fluor beim Erhitzen nicht wirklich ändern. "Tatsächlich dehnen sie sich leicht aus", sagte Zaliznyak, "was damit übereinstimmt, warum sich die meisten Feststoffe ausdehnen." Die Abstände zwischen benachbarten Fluoratomen veränderten sich jedoch mit zunehmender Temperatur stark. "Wir haben nach Beweisen gesucht, dass die Fluoratome, wie immer angenommen, in einer festen Konfiguration verbleiben, und wir haben genau das Gegenteil festgestellt!" Sagte Zaliznyak. Alexei Tkachenko, Experte für die Theorie der weichen kondensierten Materie am Brookhaven Lab Center for Functional Nanomaterials (eine weitere Nutzereinrichtung des Office of Science), leistete wesentliche Beiträge zur Erklärung dieser unerwarteten Daten. Da die Fluoratome nicht auf starre Positionen beschränkt zu sein schienen, konnte die Erklärung auf eine viel ältere Theorie zurückgreifen, die ursprünglich von Albert Einstein entwickelt wurde, um die atomaren Bewegungen zu erklären, indem jedes einzelne Atom separat betrachtet wurde. Und überraschenderweise zeigt die letzte Erklärung, dass die durch Wärme verursachte Schrumpfung in ScF3 eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem Verhalten von Polymeren aus weicher Materie aufweist. "Da jedes Scandiumatom eine starre Bindung mit Fluor hat, verhalten sich die 'Ketten' von Scandiumfluorid, die die Seiten der kristallinen Würfel bilden (mit Scandium an den Ecken), ähnlich wie die starren Teile eines Polymers", erklärte Zaliznyak. Die Fluoratome in der Mitte jeder Würfelseite werden jedoch nicht durch andere Bindungen gehemmt. Wenn sich die Temperatur erhöht, können die "unterbeschränkten" Fluoratome unabhängig in Richtungen senkrecht zu den starren Sc-F-Bindungen oszillieren. Diese transversalen thermischen Schwingungen ziehen die Sc-Atome an den Ecken des kubischen Gitters enger zusammen, was zu einer ähnlichen Schrumpfung führt wie bei Polymeren.                               Igor Zaliznyak, Physiker in der Abteilung für Festkörperphysik und Materialwissenschaften des Brookhaven Lab (rechts), leitete ein Team von Wissenschaftlern, darunter Alexei Tkachenko vom Zentrum für funktionelle Nanomaterialien (links), um den Mechanismus zu entschlüsseln, der der Fähigkeit von Scandiumfluorid zugrunde liegt, beim Erhitzen zu schrumpfen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory              Wärmeanpassung für Anwendungen Dieses neue Verständnis wird die Fähigkeit der Wissenschaftler verbessern, die thermische Reaktion eines Materials für Anwendungen vorherzusagen oder strategisch zu entwerfen, bei denen Temperaturänderungen zu erwarten sind. Beispielsweise sollten Materialien, die bei der Präzisionsbearbeitung verwendet werden, idealerweise nur geringe Änderungen in Bezug auf Erwärmung und Abkühlung aufweisen, um unter allen Bedingungen die gleiche Präzision aufrechtzuerhalten. Materialien, die für medizinische Anwendungen verwendet werden, wie Zahnfüllungen oder Knochenersatz, sollten über Wärmeausdehnungseigenschaften verfügen, die denen der biologischen Strukturen, in die sie eingebettet sind, sehr nahe kommen (denken Sie, wie schmerzhaft es wäre, wenn sich Ihre Füllung ausdehnen würde, während sich Ihr Zahn beim Trinken zusammenzieht) Kaffee!). In Halbleitern oder Untersee-Glasfaserleitungen sollte die Wärmeausdehnung von Isoliermaterialien derjenigen der Funktionsmaterialien entsprechen, um eine Beeinträchtigung der Signalübertragung zu vermeiden. Zaliznyak merkt an, dass eine unterbeschränkte offene Gerüstarchitektur wie in ScF3 auch in Supraleitern auf Kupferoxid- und Eisenbasis vorhanden ist - wo Kristallgittervibrationen vermutlich eine Rolle für die Fähigkeit dieser Materialien spielen, elektrischen Strom ohne Widerstand zu transportieren. "Die unabhängige Schwingung von Atomen in diesen Strukturen mit offenem Gerüst kann auf eine Weise zu den Eigenschaften dieser Materialien beitragen, die wir jetzt berechnen und verstehen können", sagte Zaliznyak. "Sie könnten tatsächlich einige unserer eigenen experimentellen Beobachtungen erklären, die in diesen Supraleitern immer noch ein Rätsel sind", fügte er hinzu. "Diese Arbeit profitierte zutiefst von den wichtigen Vorteilen der nationalen DOE-Laboratorien, einschließlich der einzigartigen DOE-Einrichtungen und unserer Fähigkeit, langfristige Projekte durchzuführen, bei denen sich im Laufe der Zeit wichtige Beiträge ansammeln, die zu einer Entdeckung führen", sagte Zaliznyak. "Es stellt den einzigartigen Zusammenschluss verschiedener Fachkenntnisse unter den Mitautoren dar, darunter ein engagierter Schülerpraktikant, den wir synergetisch für dieses Projekt integrieren konnten. Ohne die Fachkenntnisse von wäre es nicht möglich gewesen, diese Forschung erfolgreich durchzuführen alle Teammitglieder. "                                                                                                                                                                   Mehr Informationen: "Entropische Elastizität und negative Wärmeausdehnung in einem einfachen kubischen Kristall" Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay2748                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Zitat:                                                  Das Geheimnis hinter Kristallen, die beim Erhitzen schrumpfen (2019, 1. November)                                                  abgerufen am 1. November 2019                                                  von https://phys.org/news/2019-11-secret-crystals.html                                                                                                                                       Dieses Dokument unterliegt dem Urheberrecht. Abgesehen von jeglichem fairen Umgang zum Zwecke des privaten Lernens oder Forschens, nein                                             Teil darf ohne schriftliche Genehmigung vervielfältigt werden. Der Inhalt dient nur zu Informationszwecken.                                                                                                                                Weiterlesen
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