Forskare vid Tokyo Institute of Technology syntetiserade nyligen ett nytt material som uppvisar unika termiska expansionsegenskaper. Metoden som forskarna använder möjliggör framställning av en unik kristallin oxid innehållande zirkonium, svavel, och fosfor, som uppvisar två distinkta mekanismer för negativ termisk expansion. Detta är det första kända materialet som visar denna egenskap och dess tillämpning kan hjälpa till att undvika skador på kompositmaterial, såsom datorchipkomponenter, står inför oväntade temperaturförändringar.

De flesta material tenderar att expandera när de värms upp, när atomerna rör sig isär. Expanderbarheten av material under värme mäts med hjälp av termisk expansionskoefficient (CTE). De flesta av de nuvarande materialen av industrikvalitet har en positiv CTE, vilket gör att de fungerar dåligt när de utsätts för mer "extrema" temperaturer. Dock, vissa material upplever motsatt effekt, krymper vid högre temperaturer. Denna ovanliga process, känd som negativ termisk expansion, kan hjälpa till att lösa problemet med värmeskador på kompositmaterial.

Ett team av forskare vid Tokyo Institute of Technology ledd av biträdande professor Toshihiro Isobe har forskat på material med negativ CTE. Som Dr. Isobe förklarar, "Negativt termisk expansionsbeteende kan främst tillskrivas två typer av mekanismer, fasövergång och mekanism av ramtyp." Båda dessa mekanismer har funnit industriell tillämpning eftersom båda har för- och nackdelar. Material av fasövergångstyp har stora negativa CTE men smala användbara temperaturintervall, vilket begränsar deras operativa användning, speciellt som fyllmedel i kompositmaterial. Material av ramtyp, å andra sidan, visa termisk krympning över ett brett temperaturområde, men eftersom de har små absoluta CTE-värden, de krävs i stora mängder för att uppnå önskat resultat. I åratal, forskare har letat efter en lämplig kompromiss mellan de två, men material som kan genomgå båda mekanismerna för negativ termisk expansion har aldrig rapporterats, tills nu.

I deras nya studie, publiceras i NPG Asia Materials , Dr Isobe och hans team rapporterar en metod för att syntetisera en ny kristallin oxid gjord av zirkonium, svavel, och fosfor, och beskriv dess egenskaper. Denna kristall, den kemiska formeln för vilken är Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ , beskrivs av Dr. Isobe som "ett negativt CTE-material som uppvisar både övergångs- och ramverksmekanismer vid upphettning."

Forskarna fann att medan Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ uppvisar båda mekanismerna för negativ termisk mekanism som nämnts tidigare, man kan vara dominant vid en given temperatur. Till exempel, mellan 393K (ungefär 120°C) och 453K (ungefär 180°C), materialet krympte snabbt och några av de strukturella enheterna deformerades, vilket indikerar en fasövergång. Dock, över och under detta temperaturområde, sammandragningen var inte lika uttalad, och forskarna observerade istället små förändringar i längden och vinkeln på bindningar mellan atomer, ett kännetecken för mekanism av ramtyp.

Forskarna noterade också ett intressant fenomen. De fann att kristallerna som innehåller färre svavelatomer i gittret deformerades lättare under fasövergången (120-180°C), vilket resulterar i en större sammandragning av materialet (högre negativ CTE). Detta kan hjälpa till att producera Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ kristaller med önskad CTE för specifika tillämpningar.

Detta nya kristallina material och mekanismen för dess produktion skulle kunna bana väg för syntesen av föreningar med en liknande dubbelmekanism. Den här vägen, materialingenjörer skulle kunna välja sammansättningar med specifika egenskaper för att skräddarsy prestandan hos tillverkade material till specifika driftsförhållanden.