Forskare från UNSW har hittat ett extraordinärt material som inte expanderar eller drar ihop sig över ett extremt brett temperaturområde och kan vara ett av de mest stabila materialen som är kända.
Använda instrument vid ANSTOs australiensiska synkrotron och australiensiska centrum för neutronspridning samt andra tekniker, teamet ledd av UNSW A/Prof Neeraj Sharma, en ARC Future Fellow, visade att materialet med noll termisk expansion tillverkat av skandium, aluminium, volfram och syre ändrades inte i volym från 4 till 1400 Kelvin (-269 till 1126 °C).
Deras forskning, publiceras i Materialkemi , bekräftade den strukturella stabiliteten av Sc 1.5 A 10,5 W 3 O 12 med endast små förändringar av bindningarna, position för syreatomer och rotationer av atomarrangemang.
Material med noll expansion används i mekaniska instrument med hög precision, kontrollmekanismer, flygkomponenter och medicinska implantat, för miljöer där stabilitet vid varierande temperaturer är avgörande.
På grund av den relativt enkla syntesen av materialen och den goda tillgängligheten av aluminiumoxid och volframoxid, storskalig tillverkning är en möjlighet.
"Vi genomförde experiment med dessa material i samband med vår batteribaserade forskning, för orelaterade ändamål, och slumpmässigt stötte på denna unika egenskap hos denna speciella komposition, sa Sharma.
Omfattande neutronspridningsmätningar utfördes vid Australian Center for Neutron Scattering.
"Echidna är fantastisk på att bestämma struktur, speciellt på detaljerna i de lättare elementen, " sa senior instrumentforskare Dr. Helen Maynard-Casely, som hjälpte till med mätningarna på den högupplösta pulverdiffraktometern Echidna.
"Nyfiket, experimenten tyder på att dessa mycket små atomförskjutningar och justeringar verkar göras i samarbete, " tillade hon.
"Rörelser och rotationer av atomer och radier är ganska vanliga, men detta korrelerade beteende var ganska oväntat, sa Maynard-Casely.
Kristallografiska data från diffraktionsexperimenten återspeglar kombinationen av subtila men observerbara förvrängningar av de polyedriska enheterna, bindningslängder, vinklar och syreatomer som gör att materialet kan absorbera temperaturförändringar.
"Är det bindningslängderna som expanderar? Är det förskjutningen av syreatomerna? Eller, roterar hela polyedralen? Vi har tre faktorer som hänger ihop.
"Vid denna punkt, det är inte klart om en eller alla av dessa bidragande faktorer är ansvariga för stabiliteten över en rad temperaturer och vi undersöker vidare för att försöka isolera mekanismen, sa Sharma.
Forskarna noterade, dock, att eftersom denna specifika materialsammansättning visade denna egenskap, andra faktorer än atomradier kan spela in, såsom mer komplext kristallografiskt eller dynamiskt beteende.
Undersökningar av andra former av materialet av intresse genomfördes på pulverdiffraktionsstrålelinjen vid Australian Synchrotron med hjälp av Senior Instrument Scientist, Dr Helen Brand. Något olika förhållande mellan elementen visade inte den termiska expansionen noll.
Gruppen genomför för närvarande oelastiska neutronspridningsmätningar vid Center for Accelerator Science på denna sammansättning.
