نمونه های آلیاژ اینوار

تقریباً هر ماده ای، اعم از جامد مایع یا گاز، با افزایش دما منبسط می شود و وقتی دمایش پایین می‌آید منقبض می شود. این خاصیت که انبساط حرارتی نامیده می‌شود یک بالون هوای گرم را شناور می‌کند و برای ایجاد ترموستات‌هایی که به‌طور خودکار یک کوره خانگی را روشن و خاموش می‌کنند کاربرد دارد. راه‌آهن‌ها، پل‌ها و ساختمان‌ها با در نظر گرفتن این ویژگی طراحی شده‌اند و به آنها فضایی داده می‌شود که بدون کمانش یا شکستن در یک روز گرم انبساط پیدا کنند.

انبساط حرارتی به این دلیل رخ می دهد که اتم های ماده با افزایش دمای آن بیشتر می لرزند. هر چه اتم ها بیشتر ارتعاش کنند، بیشتر از اتم های همسایه خود دور می شوند. با افزایش فضای بین اتم ها، چگالی ماده کاهش یافته و اندازه کلی آن افزایش می یابد.

به استثنای برخی موارد، به طور کلی مواد به شدت با این اصل مطابقت دارند. با این حال، دسته‌ای از آلیاژهای فلزی به نام اینوار (Invars) (تغییر ناپذیر) وجود دارد که سرسختانه از تغییر اندازه و چگالی در طیف وسیعی از دماها خودداری می‌کنند.

استفان لوهاوس Stefan Lohaus، دانشجوی فارغ التحصیل رشته علم مواد و نویسنده اصلی یک مقاله جدید، می گوید: «در مورد پیدا کردن فلزاتی که منبسط نمی شوند تقریبا چیزی نشنیده ایم. اما در سال 1895، یک فیزیکدان به طور تصادفی کشف کرد که اگر آهن و نیکل را که هر کدام دارای انبساط حرارتی مثبت هستند، به نسبت معینی ترکیب کنید، ماده جدید به دست آمده رفتار بسیار غیرعادی خواهد داشت.

این رفتار غیرعادی باعث می شود که این آلیاژها در کاربردهایی که به دقت بسیار زیادی نیاز است، مانند ساخت قطعات ساعت، تلسکوپ و سایر ابزارهای ظریف، مفید باشند. تا به حال هیچ کس نمی دانست چرا اینوارها اینگونه رفتار می کنند. در مقاله جدیدی با عنوان "توضیح ترمودینامیکی اثر Invar که در Nature Physics منتشر شده، محققان آزمایشگاه برنت فولتز، باربارا و استنلی آر. راون جونیورRawn, Jr، استاد علم مواد و فیزیک کاربردی می گویند که راز پایداری حداقل یک اینوار را کشف کرده‌اند.

بیش از 150 سال، دانشمندان می دانستند که انبساط حرارتی با آنتروپی، یک مفهوم اصلی در ترمودینامیک، مرتبط است. آنتروپی معیاری از بی نظمی مانند موقعیت اتم ها در یک سیستم است. با افزایش دما آنتروپی سیستم نیز افزایش می یابد. این به طور کلی صادق است، بنابراین رفتار غیرمعمول یک Invar باید از طریق چیزی که با آن گسترش مقابله کند توضیح داده شود.

چگالی حالت (DOS) های فونونی Invar در فشار های مختلف. منحنی‌های DOS جزئی تجربی برای Fe⁵⁷ اندازه‌گیری شده توسط NRIXS (منحنی‌های سیاه) با DOS محاسبه ‌شده (منحنی‌های نارنجی) مقایسه شده و هر دو به 1 نرمالیزه شده اند. میله های خطا انحراف استاندارد اسکن‌های متوالی NRIXS را نشان می‌دهند (به طور متوسط برای هر طیف غیرکشسانی در مجموع 39480 شمارش ثبت شد). در شرایط محیطی، اندازه گیری NRIXS با DOS اندازه گیری شده توسط INS (نشانگرهای آبی) مطابقت دارد.

لوهاوس می‌گوید مدت‌ها گمان می‌رفت که این رفتار به نوعی با مغناطیس مرتبط است، زیرا تنها آلیاژهای خاصی که فرومغناطیسی (قابل آهنربا شدن) هستند مانند اینوار رفتار می‌کنند.

لوهاوس می‌گوید: «ما تصمیم گرفتیم به آن بررسی کنیم، زیرا چیدمان آزمایشی بسیار دقیقی داریم که می‌تواند هم مغناطیس و هم ارتعاشات اتمی را اندازه‌گیری کند. "این یک سیستم عالی برای این آزمایش بود."

از آنجایی که خواص مغناطیسی ماده نتیجه ی به اصطلاح حالت اسپین الکترون ها – مقیاس کوانتومی از تکانه زاویه ای که می تواند "بالا" یا "پایین" باشد – است هر اثر مغناطیسی مقابله کننده با انبساط مورد انتظار ماده، باید به دلیل فعالیت الکترون های آن باشد.

رابطه بین آنتروپی، انبساط حرارتی و فشار، معروف به "روابط ماکسول" اغلب به عنوان یک کنجکاوی کتاب درسی ارائه می شود، اما گروه Caltech راهی برای استفاده از آن برای اندازه گیری مستقل انبساط حرارتی ناشی از مغناطیس و ارتعاشات اتم پیدا کرد. آزمایش‌ها در منبع فوتون پیشرفته، منبع پرتوهای ایکس سنکروترون در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینویز (Argonne National Laboratory in Illinois)، با اندازه‌گیری طیف ارتعاشی و مغناطیس نمونه‌های کوچک Invar تحت فشار درون سلول سندان الماسی انجام شد.

اندازه‌گیری‌ها حذف ظریف انبساط حرارتی ناشی از ارتعاشات اتمی و مغناطیس را نشان داد. هر دو با دما و فشار تغییر کردند اما به نحوی که تعادل حفظ شد.

با استفاده از یک رویکرد نظری دقیق جدید توسعه یافته، همکاران این کار نشان دادند که چگونه فعل و انفعالات بین ارتعاشات و مغناطیس به این تعادل کمک می کند، مانند وقتی که فرکانس ارتعاشات اتم توسط مغناطیس تغییر می کند.

چنین جفت شدگی ای بین ارتعاشات و مغناطیس می تواند برای درک انبساط حرارتی در سایر مواد مغناطیسی و همچنین توسعه مواد برای سردسازی مغناطیسی مفید باشد.

چیدمان آزمایش شامل یک سلول سندان الماسی بود که در اصل دو نوک الماس کاملاً آسیاب شده است که نمونه‌هایی از مواد را می‌توان محکم بین آنها فشرده کرد. در این حالت قطعه کوچکی از آلیاژ اینوار در فشار 200000 اتمسفر فشرده شد. محققان یک پرتو قدرتمند از پرتوهای ایکس را از میان آلیاژ عبور دادند و در طی آن پرتوهای ایکس با ارتعاشات اتم‌های آن (فونون ها) برهمکنش داشتند. این فعل و انفعال مقدار انرژی حمل شده توسط پرتوهای ایکس را تغییر داد و به محققان این امکان را داد که میزان ارتعاش اتم ها را اندازه گیری کنند.

آنها همچنین حسگرهایی را در اطراف سلول سندان الماس قرار دادند که می تواند الگوهای تداخل ایجاد شده توسط حالت اسپین الکترون های متعلق به اتم های نمونه را تشخیص دهد.

این تیم از چیدمان آزمایش خود برای مشاهده هم ارتعاشات اتمی یک نمونه Invar و هم وضعیت اسپین الکترون های آن با افزایش دمای نمونه استفاده کردند. در دماهای سردتر، تعداد بیشتری از الکترون‌های Invar حالت اسپینی مشابهی داشتند که باعث می شود آنها از هم دورتر شوند و اتم های مادر خود را نیز از هم دورتر کنند.

با افزایش دمای Invar، وضعیت اسپین برخی از آن الکترون ها به طور فزاینده ای وارونه می شود. در نتیجه، الکترون‌ها با الکترون‌های همسایه‌ خود راحت‌تر خواهد شد. به طور معمول، این باعث می شود که اینوار در حین گرم شدن منقبض شود. اما در اینجا، اتم های اینوار نیز بیشتر ارتعاش کرده و فضای بیشتری را اشغال می کنند. انقباض ناشی از تغییر حالت‌های اسپین و انبساط ارتعاش اتمی یکدیگر را خنثی کرده و اینوار به همان اندازه باقی ماند.

لوهاوس می‌گوید: «این هیجان‌انگیز است، زیرا بیش از صد سال است که این یک مشکل در علم بوده است. " هزاران مقاله وجود دارد که تلاش می کنند نشان دهند چگونه مغناطیس باعث انقباض می شود، اما هیچ توضیح جامعی از اثر Invar وجود نداشت."

منبع:

Some alloys dont change size when heated, and we now know why