Vật liệu kỷ lục co lại khi bị nung nóng

Máy móc và thiết bị được sử dụng trong ngành công nghiệp hiện đại cần phải chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, thể tích của vật liệu được dùng để chế tạo các thiết bị này thường thay đổi không đáng kể ở mức gần 0,01%. Mặc dù đây có vẻ là một sự thay đổi nhỏ, nhưng theo thời gian, sự giãn nở nhiệt này có thể làm giảm mạnh hiệu suất của các hệ thống và thiết bị công nghiệp.

Các vật liệu co lại do nhiệt hoặc các vật liệu giãn nở nhiệt được các kỹ sư công nghiệp rất quan tâm. Các vật liệu này có thể được trộn với vật liệu thường nở ra vì nhiệt. Mục đích cuối cùng là sản xuất vật liệu composite nở ra vì nhiệt, được điều chỉnh đến một giá trị cụ thể thường là bằng 0 và duy trì thậm chí ở nhiệt độ hoạt động cực thấp được sử dụng trong kỹ thuật đông lạnh và hàng không vũ trụ.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học tại trường Đại học Nagoya dẫn đầu, đã đề cập đến vật liệu gốm ruthenate được tạo thành từ canxi, ruthenium và các nguyên tử oxy, co lại ở mức kỷ lục là 6,7% khi được nung nóng. Tỷ lệ này cao hơn 2 lần so với kỷ lục hiện nay cho vật liệu giãn nở nhiệt và khối vật liệu lại nở ra khi được làm mát. Các kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cho các kỹ sư công nghiệp một loại vật liệu composite mới, có thể được sử dụng để tăng độ chính xác của các quá trình và phép đo nhằm cải thiện độ ổn định về hiệu suất của thiết bị và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Kích thước của thể tích thay đổi, cũng như nhiệt độ hoạt động cho sự giãn nở vì nhiệt có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thành phần của vật liệu. Khi các nguyên tử ruthenium được thay thế một phần bằng các nguyên tử sắt, phạm vi nhiệt độ giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều. Phạm vi này kéo dài đến trên 200°C cho vật liệu có chứa sắt, nên nó có triển vọng đặc biệt sử dụng trong ngành công nghiệp.

Những thay đổi về thể tích được gây ra ở mức nhiệt tương tự như vật liệu ruthenate bị khử biến đổi từ trạng thái kim loại thành phi kim, nên các nhà nghiên cứu đã xem xét những thay đổi trong sự sắp xếp của các nguyên tử bằng cách sử dụng kỹ thuật tia X. Các nhà khoa học đã nhận thấy những thay đổi lớn về nhiệt với cấu trúc nguyên tử bên trong của vật liệu mở rộng theo một số hướng nào đó nhưng co lại ở các hướng khác.

Mặc dù cấu trúc bên trong đã co lại rõ rệt, nhưng những thay đổi tinh thể không đủ lớn để giải thích những thay đổi lớn về thể tích trong khối vật liệu. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu lại chú ý đến cấu trúc tổng thể của vật liệu và đã phát hiện các khoảng trống xung quanh những hạt gốm.

Koshi Takenaka, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Những thay đổi không đồng nhất trong cấu trúc nguyên tử xem ra gây biến dạng vi cấu trúc của vật liệu, có nghĩa là các khoảng trống mất đi và vật liệu co lại. Đây là một phương thức mới để đạt được độ giãn nở nhiệt và cho phép chúng tôi phát triển các vật liệu mới để bù đắp cho sự giãn nở nhiệt".

N.P.D-NASATI (Theo Phys)