Terobosan dalam Penelitian Bahan: Paduan beberapa logam telah dikembangkan yang secara praktis tidak ada ekspansi termal selama interval suhu yang sangat besar.
Sebagian besar logam berkembang ketika suhu mereka naik. Menara Eiffel, misalnya, sekitar 10 hingga 15 sentimeter lebih tinggi di musim panas daripada di musim dingin karena ekspansi termal. Namun, efek ini sangat tidak diinginkan untuk banyak aplikasi teknis. Karena alasan ini, pencarian telah lama menyala untuk bahan yang selalu memiliki panjang yang sama terlepas dari suhunya. Invar, misalnya, paduan besi dan nikel, dikenal karena ekspansi termal yang sangat rendah. Namun, bagaimana properti ini dapat dijelaskan secara fisik tidak sepenuhnya jelas sampai sekarang.
Sekarang, kolaborasi antara peneliti teoretis di Tu Wien (Wina) dan eksperimentalis di Universitas Sains dan Teknologi Beijing telah menyebabkan terobosan yang menentukan: menggunakan simulasi komputer yang kompleks, telah dimungkinkan untuk memahami efek invar secara rinci dan dengan demikian mengembangkan SO -Palled Pyrochlore Magnet – Paduan yang memiliki sifat ekspansi termal yang lebih baik daripada Invar. Lebih dari kisaran suhu yang sangat luas lebih dari 400 kelvin, panjangnya hanya berubah sekitar seperseribu satu persen per kelvin.
Ekspansi termal dan antagonisnya
“Semakin tinggi suhu dalam suatu bahan, semakin banyak atom cenderung bergerak – dan ketika atom bergerak lebih banyak, mereka membutuhkan lebih banyak ruang. Jarak rata -rata di antara mereka meningkat,” jelas Dr Sergii Khmelevskyi dari penelitian Wina Scientific Cluster (VSC) Pusat di Tu Wien. “Efek ini adalah dasar dari ekspansi termal dan tidak dapat dicegah. Tetapi dimungkinkan untuk menghasilkan bahan di mana ia hampir seimbang oleh efek kompensasi yang lain.”
Segii Khmelevskyi dan timnya mengembangkan simulasi komputer yang kompleks yang dapat digunakan untuk menganalisis perilaku bahan magnetik pada suhu terbatas pada tingkat atom. “Ini memungkinkan kami untuk lebih memahami alasan mengapa Invar hampir tidak berkembang sama sekali, ‘kata Khmelevskyi.” Efeknya adalah karena elektron tertentu mengubah keadaan mereka ketika suhu naik. Urutan magnetik dalam material berkurang, menyebabkan bahan berkontraksi. Efek ini hampir persis membatalkan ekspansi termal yang biasa. ”
Sudah diketahui bahwa urutan magnetik dalam materi bertanggung jawab atas efek invar. Tetapi hanya dengan simulasi komputer dari Wina, menjadi mungkin untuk memahami rincian proses ini sehingga prediksi untuk bahan lain dapat dibuat. “Untuk pertama kalinya, sebuah teori tersedia yang dapat membuat prediksi konkret untuk pengembangan bahan baru dengan ekspansi termal menghilang,” kata Sergii Khmelevskyi.
Magnet Pyrochlore dengan pesawat Kagome.
Untuk menguji prediksi ini dalam praktiknya, Sergii Khmelevskyi bekerja bersama dengan tim eksperimental Prof. Xianran Xing dan Ass. Prof. Yili Cao dari Institut Solid State Chemistry dari Universitas Sains dan Teknologi Beijing. Hasil kerja sama ini sekarang telah disajikan: apa yang disebut magnet pyrochlore.
Berbeda dengan paduan Invar sebelumnya, yang hanya terdiri dari dua logam yang berbeda, magnet pyrochlore memiliki empat komponen: zirkonium, niobium, besi dan kobalt. “Ini adalah bahan dengan koefisien ekspansi termal yang sangat rendah pada kisaran suhu yang luas yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Yili Cao.
Perilaku suhu yang luar biasa ini berkaitan dengan fakta bahwa magnet Pyrochlore tidak memiliki struktur kisi sempurna yang selalu berulang dengan cara yang persis sama. Komposisi material tidak sama di setiap titik, itu heterogen. Beberapa area mengandung sedikit lebih banyak kobalt, sedikit kurang. Kedua subsistem bereaksi berbeda terhadap perubahan suhu. Hal ini memungkinkan detail komposisi material menjadi titik seimbang demi titik sedemikian rupa sehingga ekspansi suhu keseluruhan hampir persis nol.
Bahan dapat menjadi minat khusus dalam aplikasi dengan fluktuasi suhu ekstrem atau teknik pengukuran yang tepat, seperti dalam penerbangan, ruang angkasa atau komponen elektronik presisi tinggi.
Publikasi Asli:
Pekerjaan Teoritis:
S. Khmelevskyi und S. Steiner, Teori prediktif magnetostriksi volume anomali dalam paduan Fe-ni: mekanisme repopulasi ikatan dari efek invar, Jurnal Kimia Fisik C 128/1.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.3c07037
Publikasi Baru dengan Simulasi Komputer (Austria) dan Eksperimen (Cina): Y. Sun et al., Heterogenitas kimia lokal memungkinkan ekspansi termal nol superior dalam magnet pyrochlore non -stoikiometrik, National Science Review, NWAE462. https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae462/7926974
