راز کریستالهایی که هنگام گرم شدن کوچک می شوند

 این انیمیشن نشان می دهد که چگونه بلورهای جامد فلوراید اسکاندیم بر گرم شدن کوچک می شوند.

این انیمیشن نشان می دهد که چگونه بلورهای جامد فلوراید اسکاندیم بر گرم شدن کوچک می شوند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی انرژی بروکهاون ، وزارت انرژی ایالات متحده ، شواهد جدید آزمایشگاهی و نظریه ای پیش بینی کننده را برای حل رمز و راز علم مواد طولانی دارند: چرا برخی مواد بلوری هنگام گرم شدن کوچک می شوند. کار آنها ، که اخیراً در Science Advances منتشر شده است ، می تواند کاربرد گسترده ای برای مطابقت با خواص مواد با کاربردهای خاص در پزشکی ، الکترونیک و سایر زمینه ها داشته باشد و حتی ممکن است بینش تازه ای از ابررساناهای غیر متعارف (موادی که جریان الکتریکی دارند و اتلاف انرژی ندارند) فراهم کند. شواهد حاصل از اندازه گیری دقیق فاصله بین اتم ها در بلورهای فلوراید اسکاندیم (ScF۳) است ، ماده ای که به دلیل انقباض غیرمعمول آن در دمای بالا (که به عنوان “گسترش حرارتی منفی” نیز شناخته می شود) شناخته می شود. آنچه دانشمندان کشف کردند نوع جدیدی از حرکت لرزشی است که باعث می شود طرف این کریستال های مکعب شکل و به ظاهر جامد هنگام گرم شدن سفت شوند ، بنابراین گوشه ها را به هم نزدیک می کند.

 

ایگور زالیزنیاک ، فیزیکدان بروکهاوون ، که هدایت این پروژه را بر عهده داشت ، گفت: “به طور معمول با گرم شدن چیزی ، آن را گسترش می دهد. “وقتی چیزی را گرم می کنید ، ارتعاشات اتمی در بزرگی افزایش می یابد ، و اندازه کلی مواد برای افزایش لرزش های بزرگتر افزایش می یابد.” اما این رابطه برای برخی مواد انعطاف پذیر ، از جمله پلیمرهای زنجیره ای مانند پلاستیک و لاستیک ، مناسب نیست. در این مواد ، افزایش گرما ، ارتعاشات را عمود بر طول زنجیرها افزایش می دهد (لرزش های جانبی یک رشته گیتار شکسته را تصویر کنید). آن لرزش های عرضی انتهای زنجیره ها را به هم نزدیک می کند و در نتیجه انقباض کلی می شود. اما در مورد فلوراید اسکاندیم چیست؟ با داشتن یک ساختار بلوری مکعب جامد ، چیزی شبیه به یک پلیمر نیست – حداقل در نگاه اول. علاوه بر این ، فرض گسترده ای مبنی بر اینکه اتم های موجود در یک بلور جامد باید جهت گیری نسبی خود را حفظ کنند ، بدون توجه به اندازه کریستال ، فیزیکدانان چپ باعث سردرگمی شده اند تا توضیح دهند که چگونه این ماده هنگام گرم شدن کوچک می شود.

نوترون ها و دانش آموز اختصاصی برای نجات گروهی از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) برای کشف این رمز و راز در منبع Spallation Neutron (SNS) ، یک مرکز کاربری دفتر علوم علوم DOE در آزمایشگاه ملی اوک ریج ، از یک روش استفاده کردند. اندازه گیری چگونگی پرتوهای نوترون ها ، نوعی ذره زیر اتمی ، پراکندگی اتم ها در بلور می تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد ترتیب مقیاس اتمی آنها ارائه دهد. Zaliznyak گفت: این ماده مخصوص مواد سبک مانند فلوئور که در معرض اشعه ایکس قابل مشاهده نیست بسیار مفید است.

 

با شنیدن این کار ، زالیزنیاک خاطرنشان کرد: همکار وی ، امیل بوزین ، یک متخصص در یک روش مختلف تجزیه و تحلیل پراکندگی نوترونی ، احتمالاً می تواند درک این مسئله را پیش ببرد. روش بوزین ، معروف به “تابع توزیع جفت” ، احتمال یافتن دو اتم را که از فاصله مشخصی در یک ماده جدا شده اند ، توصیف می کند. الگوریتم های محاسباتی سپس احتمالات را برای یافتن مدل ساختاری متناسب با داده ها مرتب می کنند. Zaliznyak و Bozin با تیم Caltech به جمع آوری داده ها در SNS با استفاده از نمونه های ScF۳ Caltech برای پیگیری چگونگی تغییر فاصله بین اتم های همسایه با افزایش دما زوج شدند. دیوید وندت ، دانشجویی که پس از سال تحصیل در دبیرستان (در حال حاضر دانشجوی تازه وارد در دانشگاه استنفورد) بود ، پس از گذراندن دوره کارآموزی در دبیرستان ، کارآموزی برنامه دبیرستان آزمایشگاه بروکهاوون را در آزمایشگاه زالییزنیاک آغاز کرد. وی کار خود را بر روی این پروژه در طول روزهای دبیرستان ادامه داد و مقام نویسنده اول را روی کاغذ کسب کرد. “دیوید اساساً داده ها را به شکلی کاهش داد که ما بتوانیم با استفاده از الگوریتم های خود آنالیز کنیم ، داده ها را متناسب کنیم ، مدلی را برای مدل سازی موقعیت های اتمهای فلوئور تشکیل داد و تجزیه و تحلیل آماری را انجام داد تا نتایج تجربی ما را با مدل مقایسه کنیم. کاری که او انجام داد مانند کاری است که یک پست پستی خوب انجام می دهد! ” زالیزنیاک گفت. وند گفت: “من از فرصتی که آزمایشگاه بروکهاون به من داده است برای کمک به تحقیقات اصلی از طریق برنامه تحقیقاتی دبیرستانشان ، بسیار سپاسگزارم.

 ..::نویسندگان اضافی این مطالعه شامل (از سمت چپ) کیت پیج ، سابقاً از اوک ریج بودند::..

..::نویسندگان اضافی این مطالعه شامل (از سمت چپ) کیت پیج ، سابقاً از اوک ریج بودند::..

نتایج: حرکت “نرم” در حالت جامد اندازه گیری ها نشان داد که پیوندهای بین اسکاندیم و فلوئور با گرم شدن تغییر نمی کنند.

زالیزنیاک گفت: “در حقیقت ، آنها اندکی گسترش می یابند ، که سازگار با دلیل گسترش بیشتر مواد جامد است.” اما مسافت بین اتم های فلورین مجاور با افزایش دما بسیار متغیر شد. “ما به دنبال شواهدی بودیم که اتمهای فلوئور مانند همیشه فرض بر این بوده اند که در یک پیکربندی ثابت بمانند ، و ما خلاف آن را پیدا کردیم!” زالیزنیاک گفت. الکسی توکاچنکو ، یک متخصص در تئوری ماده چگالد نرم در مرکز نانومواد کاربردی آزمایشگاه بروکهاون (یکی دیگر از تأسیسات کاربر دفتر علوم) در توضیح این داده های غیر منتظره نقش اساسی داشت. از آنجا که به نظر می رسد که اتمهای فلورین محدود به موقعیت های سفت و سخت نمی شوند ، این توضیح می تواند به یک تئوری قدیمی تر که در ابتدا توسط آلبرت انیشتین ساخته شده است برای توضیح حرکات اتمی با در نظر گرفتن تک تک اتم های جداگانه طراحی شود. و با کمال تعجب ، توضیحات نهایی نشان می دهد که انقباض ناشی از گرما در ScF۳ شباهت قابل توجهی با رفتار پلیمرهای ماده نرم دارد. زالیزنیاک توضیح داد: “از آنجا که هر اتم اسکاندیوم دارای پیوند سفت و سختی با فلوئور است ،” زنجیره “های فلوراید اسکاندیوم که طرف مکعبهای بلوری (با اسکاندیوم در گوشه ها) تشکیل می دهند ، مشابه قسمت های سفت و سخت یک پلیمر عمل می کنند.” با این حال ، اتمهای فلوئور در مرکز هر طرف مکعب از هیچ پیوند دیگری محدود نیستند. بنابراین ، با افزایش دما ، اتمهای فلورین “کم فشار” آزاد هستند که به طور مستقل در جهات عمود بر پیوندهای سفت و سخت Sc-F نوسان داشته باشند. آن نوسانات حرارتی عرضی ، اتم های Sc را در گوشه های شبکه مشبک مکعب به هم نزدیک می کنند و در نتیجه انقباضاتی مشابه آنچه در پلیمرها مشاهده می شوند ، کاهش می یابد.

 ..::ایگور زالیزنیاک ، فیزیکدان در فیزیک ماده متراکم شده آزمایشگاه بروکهاون و کارشناسی ارشد::..

..::ایگور زالیزنیاک ، فیزیکدان در فیزیک ماده متراکم شده آزمایشگاه بروکهاون و کارشناسی ارشد::..

گسترش مواد عایق باید با مواد مواد کاربردی مطابقت داشته باشد تا از انتقال سیگنال جلوگیری شود. Zaliznyak خاطرنشان می کند که یک معماری چارچوب باز مانند آنچه در ScF۳ وجود دارد ، در ابررسانه های مس و اکسید مس نیز وجود دارد – در جایی که تصور می شود ارتعاشات شبکه های کریستالی در توانایی این مواد در حمل جریان الکتریکی و بدون مقاومت نقش دارند. زالیزنیاک گفت: “نوسان مستقل اتم ها در این ساختارهای چارچوب باز ممکن است به خواص این مواد به روش هایی که اکنون می توانیم محاسبه و درک کنیم کمک کند.” وی افزود: “آنها ممکن است در واقع برخی مشاهدات آزمایشی ما را توضیح دهند که هنوز رمز و راز در این ابررساناها باقی مانده است.”

زالیزنیک گفت: “این کار از مزایای مهم آزمایشگاه های ملی DOE بهره مند است – از جمله امکانات منحصر به فرد DOE و توانایی ما برای انجام پروژه های طولانی مدت که در آن سهم های مهم با گذشت زمان جمع می شوند تا به یک نتیجه برسند.” “این نمایانگر تلاقی منحصر به فرد از تخصص های مختلف در بین همتایان ، از جمله یک کارآموز ویژه دانش آموز دبیرستانی است که ما توانستیم به صورت هم افزایی برای این پروژه ادغام شویم. بدون داشتن تخصص ارائه شده توسط این پروژه امکان پذیر نبود. همه اعضای تیم. “

به نقل از فیلسوف

جمع آوری پترووال \ petrowall

Comments are disabled.

خانهدرباره مامحصولاتتماس با ما