科學家們開發了一種由多種金屬組成的新型合金，在極寬的溫度範圍內幾乎不會發生熱膨脹。大多數金屬會隨著溫度的升高而膨脹。 例如，由於熱膨脹，艾菲爾鐵塔在夏天比冬天高10 到15 公分。 然而，這種效應對於許多技術應用來說是非常不可取的。

大多數金屬在加熱時都會膨脹，但英卡爾等材料會因磁序變化而抵制這種膨脹。 維也納科技大學和北京科技大學的研究人員利用模擬來理解這種效應，從而開發了一種在寬溫度範圍內具有更好熱穩定性的熱綠石磁體。 資料來源：維也納科技大學

因此，研究人員長期以來一直在尋找無論溫度如何保持恆定長度的材料。 因瓦合金（不變鋼）就是這樣一種材料，它是一種鐵鎳合金，以極低的熱膨脹率而聞名。 然而，直到最近，這種特性的物理解釋仍不清楚。

現在，維也納技術大學(TU Wien) 的理論研究人員與北京科技大學的實驗人員合作取得了重大突破。利用複雜的電腦模擬，他們詳細揭示了因瓦合金效應，並開發了一種所謂的燒綠石磁鐵——一種熱膨脹性能甚至比因瓦合金更好的合金。在超過400 開爾文的極寬溫度範圍內，其長度變化幅度僅為每開爾文約萬分之一。

熱膨脹及其對立面

「材料的溫度越高，原子移動的趨勢就越大，而原子移動越大，就需要更多的空間。 它們之間的平均距離就會增加，」維也納理工大學維也納科學集群（VSC）研究中心的Sergii Khmelevskyi 博士解釋道。 “這種效應是熱膨脹的基礎，無法避免。 但是，我們可以製造出這樣的材料，它幾乎可以完全被另一種補償效應所抵消”。

Segii Khmelevskyi 和他的團隊開發了複雜的電腦模擬，可用於分析磁性材料在有限溫度下的原子級行為。 Khmelevskyi 說：” 這使我們能夠更好地理解因瓦幾乎不膨脹的原因。這種效應是由於某些電子在溫度升高時改變了它們的狀態。材料中的磁序減少，導致材料收縮。這種效應幾乎完全抵消了通常的熱膨脹”。

人們已經知道，材料中的磁性秩序是產生因瓦效應的原因。 但只有透過維也納的電腦模擬，才有可能如此精確地了解這個過程的細節，從而對其他材料做出預測。謝爾蓋-赫梅列夫斯基說：”這是第一次有理論可以具體預測熱膨脹消失的新材料的發展。”

帶有Kagome 平面的燒綠石磁鐵

為了在實踐中檢驗這些預測，Sergii Khmelevskyi 與北京科技大學固體化學研究所的Xianran Xing 教授和Yili Cao 副教授的實驗團隊合作。此次合作的成果現已面世：所謂的燒綠石磁鐵。

與先前僅由兩種不同金屬組成的因瓦合金不同，燒綠石磁鐵有四種成分：鋯、鈮、鐵和鈷。 「這是一種在前所未有的寬溫度範圍內具有極低熱膨脹係數的材料，」Yili Cao 說。

這種非凡的溫度行為與燒綠石磁鐵不具有完美的晶格結構有關，這種結構並不總是以完全相同的方式重複。材料的成分並非在每個點都相同，它是異質的。有些區域鈷含量稍多，有些區域鈷含量稍少。兩個子系統對溫度變化的反應不同。這使得材料成分的細節能夠逐點平衡，使得整體溫度膨脹幾乎正好為零。

這種材料在溫度波動極端或測量技術精確的應用中可能特別有用，例如航空、航太或高精度電子元件。

編譯自/ ScitechDaily