Австралийские исследователи создали, возможно, один из самых термостойких материалов из когда-либо открытых. Этот новый материал с нулевым тепловым расширением (zero thermal expansion, ZTE), изготовленный из скандия, алюминия, вольфрама и кислорода, не изменялся в объеме при температурах от 4 до 1400 Кельвинов (от -269 до 1126°C).
Это более широкий диапазон температур, говорят ученые из Университета Нового Южного Уэльса, чем у любого другого материала, продемонстрированного на сегодняшний день, и он может сделать орторомбический Sc1.5Al0.5W3O12 (запоминающееся название, а?) очень удобным инструментом для тех, кто разрабатывает что-то, что должно работать в чрезвычайно разнообразных температурных условиях.
Примеры того, где это может пригодиться, включают такие вещи, как аэрокосмический дизайн, когда компоненты подвергаются сильному холоду в космосе и сильному нагреву при запуске или возвращении. Известно, что сверхзвуковой самолёт-разведчик SR-71 Blackbird был разработан так, чтобы расширяться на максимальной скорости 3,4 Маха настолько, что он обильно разбрызгивает топливо на взлетно-посадочной полосе при температуре земли; топливные баки даже не закрывались полностью, пока не нагревались. Этот новый материал сохраняет точно такой же объем от близкого к абсолютному нулю вплоть до комфортного перегрева, который вы ожидаете получить на крыле гиперзвукового самолета, летящего со скоростью 5 Махов.
Особенно сложной проблемой полёта самолёта Lockheed SR-71 Blackbird на скоростях, превышающих скорость звука более чем в три раза (М>3), является высокий нагрев корпуса. Для её решения 85 % деталей планера было изготовлено из титанового сплава, а большая часть остальных деталей изготавливалась из полимерно-композитных материалов. Также, большая площадь внутренней части крыла имела гофрированную поверхность, что создавало более благоприятные условия для теплового расширения и повышало продольную прочность. Панели фюзеляжа были изготовлены таким образом, что они неплотно прилегали друг к другу, когда самолёт находился на земле, и окончательно «стыковались» только в полёте, после разогрева планера и его удлинения на несколько сантиметров. Вследствие этого, а также вследствие того, что никакое уплотнение топливной системы не смогло бы нормально функционировать при очень высокой температуре, из самолёта перед взлётом вытекало топливо. Однако это не представляло никакой опасности, поскольку используемое топливо JP-7 было специально разработано для сверхзвуковых самолётов и характеризовалось высокой температурой вспышки и термостабильностью. Охлаждение самолёта обеспечивалось циркуляцией топлива под титановыми поверхностями перед его попаданием в двигатели. - Википедия
Или есть такие вещи, как медицинские имплантаты, где диапазон ожидаемых температур не так сильно варьируется, но даже небольшое тепловое расширение может вызвать критические проблемы.
Команда UNSW сделала это открытие более или менее случайно: «Мы проводили эксперименты с этими материалами в связи с нашими исследованиями, по основе батарей, для несвязанных целей, и случайно натолкнулись на это уникальное свойство этого конкретного состава», - говорит доцент Нирадж Шарма.
Измерения нового материала проводились с помощью порошкового дифрактометра высокого разрешения Echidna. Фото: ANSTO
После измерения материала с помощью порошкового дифрактометра высокого разрешения Echidna на австралийском синхротроне ANSTO и в Австралийском центре нейтронного рассеяния, команда обнаружила невероятную степень термической стабильности. На молекулярном уровне материалы обычно расширяются, потому что повышение температуры непосредственно приводит к увеличению длины атомных связей между элементами. Иногда это также вызывает повороты атомов, что приводит к образованию более просторных структур, влияющих на общий объем.
Только не с этим материалом, который команда наблюдала в огромном температурном спектре, демонстрирующем «лишь незначительные изменения в связях, положении атомов кислорода и поворотах расположения атомов». Команда говорит, что точный механизм, лежащий в основе этой экстремальной термической стабильности, не совсем ясен, но, возможно, длины связей, углы и положения атомов кислорода меняются согласованно друг с другом, чтобы сохранить общий объем.
«Какая часть действует при какой температуре, это следующий вопрос», - говорит Шарма, добавляя: «Скандий встречается редко и дороже других материалов, но мы экспериментируем с другими элементами, которые могут быть заменой, и стабильность сохранится».
Однако другие ингредиенты широко доступны и связываются вместе с помощью «относительно простого синтеза», поэтому команда считает, что этот материал не должен создавать препятствий для крупномасштабного производства.
Статья доступна в журнале Chemistry of Materials, а на видео ниже представлен обзор материала.
