Om Plastic Man, Elastigirl eller Mr. Fantastic har någonsin stött på Magneto, de får hoppas att den ikoniska X-Men-figuren inte har läst den senaste forskningen från Christian Binek.

Fysikern vid University of Nebraska-Lincoln har funnit att, under vissa förutsättningar, de magnetiska egenskaperna hos ett material kan förutsäga sambandet mellan dess elasticitet och temperatur.

Hans upptäckt kan peka på vägen mot att kontrollera elasticiteten hos vissa material genom att designa deras magnetiska egenskaper eller applicera ett magnetfält på dem. Med tanke på den lätthet med vilken magnetfält nu kan manipuleras, Binek sa, det kan så småningom betyda att man skräddarsyr elasticiteten genom att bara trycka på en knapp eller vrida på en ratt.

Sålänge, Att veta att magnetism ensam kan förutsäga hur elasticitet kommer att reagera – eller inte reagera – på förändringar i temperatur kan hjälpa ingenjörer att bättre välja eller designa material för specifika ändamål.

Binek nämnde 1986 års upplösning av rymdfärjan Challenger som ett framträdande exempel på elasticitetens betydelse i teknisk design. Härdningen och misslyckandet av en elastisk O-ring på Challengers raketbooster – en konsekvens av kalla temperaturer – gjorde att skytteln gick sönder, dödade dess sju besättningsmedlemmar.

"Så du kan hitta material som inte ändrar elastiska egenskaper med temperaturen, sa Binek, professor i fysik och astronomi. "Du kan hitta material som ändras med temperaturen efter behag. Och du kan hitta material där du kan, vid en given temperatur, ändra de elastiska egenskaperna genom en extern kontroll."

Termodynamisk duo

Termodynamikens lagar beskriver sambanden mellan många faktorer – temperatur, entropi, volym, tryck – som påverkar hur värme omvandlas till andra energiformer. Och det har länge varit känt att dessa lagar omfattar egenskaperna för magnetism och elasticitet.

Men genom att härleda en ny formel från befintliga, Binek lyckades visa att förhållandet elasticitet-temperatur i grunden är kodat i magnetismen hos ett material.

Bineks formel har begränsningar. Tills vidare, det gäller endast om ett materials magnetiska beteende förändras linjärt med det magnetiska fältet som appliceras på det. Likaså, materialets elasticitet måste vara linjär, vilket innebär att mängden påfrestning den uppvisar måste vara konstant proportionell mot mängden fysisk stress som utövas på den.

Ändå, formeln gäller material med olika former av magnetism. Det inkluderar formen som tekniskt finns i varje material:diamagnetism, som beskriver en tendens att stöta bort magnetfält så svagt att det går obemärkt förbi utan specialiserade instrument.

Supraledande material – de som inte har något motstånd mot elektricitet – uppvisar en uttalad form av diamagnetism under en kritisk temperatur, vid vilken tidpunkt de börjar helt repellera magnetiska fält. Under den temperaturtröskeln, Binek fann något anmärkningsvärt:Elasticiteten hos supraledare reagerar inte längre på temperaturförändringar. Det fenomenet höll sig när han utförde beräkningar för både keramiska och enkristallsupraledare, som har väsentligt olika mikroskopiska ytor och atomstrukturer.

"Mitt (matematiska) uttryck gör inga anspråk på materialet, " sa Binek. "Det är väldigt allmänt. Den säger bara:Om känsligheten (för magnetism) är konstant, då bör den elastiska egenskapen vara konstant. Om det är så, inget annat (om supraledaren) borde spela någon roll, vilket ärligt talat är lite svårt att tro.

"Du undrar:Hur kan något som en elastisk egenskap, vilket säkert beror på strukturella detaljer, vara oberoende av något som har med strukturen att göra? Men sedan går du till den (vetenskapliga) litteraturen, tillämpa din formel, och du hittar det, ja, det är korrekt."

Den elastisk-magnetiska formeln gäller även material för vilka magnetfält inducerar en svag attraktion som kallas paramagnetism. Och ferromagnetiska material – de som är starkt attraherade av magnetfält och vanligtvis synonyma med termen "magnetiska" – lyder Bineks formel över en viss temperaturtröskel som gör att de beter sig mer som sina paramagnetiska kusiner.

Binek sa att formeln till och med kan fungera för ferroelektriska material, vars anpassning av positiva och negativa laddningar, eller polarisering, kan vändas av ett elektriskt fält. Ferroelektricitet underlättar lagring av elektrisk energi, vilket gör den användbar i enheter som sträcker sig från kondensatorer till slumpmässigt åtkomstminne.

"Istället för att justera de elastiska egenskaperna med ett magnetfält, du kanske kan ställa in dem med elektriska fält, " sade han. "Teknologiskt, det kan vara ännu mer intressant.

"Det finns säkert många applikationer som man kan tänka sig, och jag tror att många av dem kan vara användbara. Jag hoppas att detta inte är slutet på historien, utan snarare början."