Расширение магнитных нанокристаллов при охлаждении
Большинство жёстких тел при охлаждении сжимается, потому, что амплитуда тепловых колебаний атомов значительно уменьшается, и атомы начинают не сильный отталкиваться друг от друга. Из этого правила имеется, но, исключения
К примеру, в ZrW2O8 ослабление колебаний атомов кислорода при понижении температуры ведет к тому, что связи Zr-O-W “выпрямляются” (рис. 1a), и количество примера возрастает (так как в этом случае нагрев ведет к уменьшению межатомных расстояний, то говорят об отрицательном коэффициенте термического расширения).
Рис.1. Механизмы отрицательного термического расширения: а – при понижении температуры уменьшение амплитуды колебаний атомов кислорода (мелкие красные кружки) в ZrW2O8 ведет к повышению расстояния между атомами Zr и W (громадные кружки), любой из которых связан с кислородом; b – обстоятельством расширения некоторых магнитных материалов при охлаждении есть упорядочение магнитных моментов
О принципиально втором механизме отрицательного термического расширения, эффект от которого на четыре порядка больше, чем в ZrW2O8, сказали авторы работы [1]. Они изучили соединения CuO, NiO и MnF2, в каждом из которых у атомов металлов имеется магнитный момент. При большой температуре ориентации этих моментов скоро и хаотически изменяются, в следствии чего магнитная составляющая энергии сотрудничества двух соседних атомов соответствует то их притяжению, то отталкиванию.
При охлаждении флуктуации ослабевают, и магнитные моменты становятся в той либо другой степени упорядоченными. Два соседних момента смогут быть направлены как в одну сторону, так и в противоположные. Соответственно, магнитные атомы или сближаются, или удаляются.
В одних материалах (NiO) притяжение и отталкивание взаимно компенсируются, а в других (CuO, MnF2) отталкивание преобладает, и решетка распухает (рис. 1b).
Самое увлекательное, что в [1] найдено многократное усиление этого результата при измельчении примера до наноразмеров. Наиболее он выражен в CuO при размере нанокристаллитов около 5 нм. Физические обстоятельства этого явления пока не в полной мере ясны. Но уже на данный момент его возможно применять для изготовления наноструктурированных композитов с заданным коэффициентом термического расширения, а также с нулевым.
А это крайне важно для обеспечения устойчивой работы многих устройств в широком диапазоне температур.
- 1. S.G.Zheng et al., Nature Nanotech. 3, 724 (2008)