팽창하지 않는 금속

대부분의 금속은 온도가 상승하면 팽창합니다. 예를 들어, 에펠탑은 열 팽창으로 인해 여름에 겨울보다 약 10~15cm 더 높습니다. 그러나 이 효과는 많은 기술적 응용 분야에서 매우 바람직하지 않습니다.

이러한 이유로 온도에 관계없이 항상 길이가 같은 재료에 대한 검색이 오랫동안 진행되어 왔습니다.

예를 들어 철과 니켈의 합금인 인바는 매우 낮은 열 팽창으로 유명합니다. 그러나 이 속성을 물리적으로 어떻게 설명할 수 있는지는 지금까지 완전히 명확하지 않았습니다.

이제 TU Wien(비엔나)의 이론 연구원과 베이징 과학 기술 대학의 실험 연구원 간의 협업으로 결정적인 돌파구가 마련되었습니다. 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 인바 효과를 자세히 이해하고, 인바보다 열 팽창 특성이 더 뛰어난 합금인 소위 피로클로어 자석을 개발할 수 있었습니다.

400켈빈 이상의 매우 넓은 온도 범위에서 길이는 켈빈당 약 10,000분의 1%만 변합니다.

열팽창과 그 길항제

"물질의 온도가 높을수록 원자가 더 많이 움직이는 경향이 있고, 원자가 더 많이 움직이면 더 많은 공간이 필요합니다. 원자 사이의 평균 거리가 늘어납니다."

TU Wien의 Vienna Scientific Cluster(VSC) 연구 센터의 Sergii Khmelevskyi 박사가 설명합니다.

"이 효과는 열 팽창의 기초이며 막을 수 없습니다. 그러나 다른 보상 효과로 거의 정확히 균형을 이루는 재료를 생산하는 것은 가능합니다."

세기 크멜레브스키와 그의 팀은 원자 수준에서 유한한 온도에서 자성 재료의 거동을 분석하는 데 사용할 수 있는 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했습니다.

"이를 통해 인바가 거의 팽창하지 않는 이유를 더 잘 이해할 수 있었습니다."

크멜레브스키가 말했습니다. "이 효과는 온도가 상승함에 따라 특정 전자가 상태를 변경하기 때문입니다. 재료의 자기적 순서가 감소하여 재료가 수축합니다. 이 효과는 일반적인 열 팽창을 거의 정확히 상쇄합니다."

재료의 자기적 순서가 인바 효과의 원인이라는 것은 이미 알려져 있었습니다. 하지만 비엔나의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서만 이 과정의 세부 사항을 정확하게 이해할 수 있었고, 다른 재료에 대한 예측도 할 수 있었습니다.

"처음으로, 열 팽창이 사라지는 새로운 재료의 개발에 대한 구체적인 예측을 할 수 있는 이론이 나왔습니다."라고 세르지 크멜레프스키는 말합니다.

카고메 비행기를 탑재한 피로클로르 자석

이러한 예측을 실제로 테스트하기 위해 Sergii Khmelevskyi는 베이징 과학기술대학 고체화학 연구소의 Xianran Xing 교수와 Yili Cao 조교수의 실험팀과 협력했습니다. 이 협력의 결과가 이제 발표되었습니다. 소위 피로클로르 자석입니다.

두 가지 다른 금속으로만 구성된 이전의 인바 합금과 달리, 피로클로어 자석은 지르코늄, 니오븀, 철, 코발트의 네 가지 구성 요소를 가지고 있습니다. "이것은 전례 없이 넓은 온도 범위에서 열팽창 계수가 극히 낮은 재료입니다."라고 일리 카오는 말합니다.

이 놀라운 온도 거동은 피로클로르 자석이 항상 정확히 같은 방식으로 반복되는 완벽한 격자 구조를 가지고 있지 않다는 사실과 관련이 있습니다. 재료의 구성은 모든 지점에서 동일하지 않으며 이질적입니다. 일부 영역에는 코발트가 조금 더 많고 일부 영역에는 조금 적습니다.

두 하위 시스템은 온도 변화에 다르게 반응합니다. 이를 통해 재료 구성의 세부 사항을 지점별로 균형을 맞춰 전체 온도 팽창이 거의 정확히 0이 되도록 할 수 있습니다.

이 소재는 항공, 항공우주 또는 고정밀 전자 부품과 같이 극심한 온도 변화나 정밀 측정 기술이 필요한 응용 분야에서 특히 관심을 가질 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250203142349.htm