На зображенні, взятому за допомогою
дифракції електронів, видно, що відстань
між білими плямами назад
пропорційно відстані між атомами
в частинках CuO, і може зменшуватися або
зростати при розширенні або
стисканні тіла, відповідно.
Наночастки розміром близько 5 нм були взяті методом подрібнення макроскопічних кристалів CuO. Досліджуючи за допомогою рентгенівської та електронної дифракції зміна міжатомних відстаней при трансформації температури від -253.15 ° C до -73.15 ° C (200К), вчені розпізнали зменшення кількості речовини приблизно на 1%: даний ефект багаторазово сильніше, ніж у інших матеріалів, що стискуються при нагріванні. При подальшому підвищенні температури (вище 200 К) наночастинки починають розширюватися.
Головним причиною, що викликає температурне розширення речовини, є, як ми знаємо, нагнітає при нагріванні коливальний профіль атомів; разом з цим зростають як можливість знаходження атома поза власним рівноважного положення, так і кількість простору можливого знаходження атома. Негативний же коефіцієнт температурного розширення відзначається в той час, коли завдяки нагрівання атоми мають тенденцію до зближення. Наприклад, в разі якщо атом кисню, який пов'язаний з двома атомами металу, буде при нагріванні вібрувати перпендикулярно лінії зв'язків, то це призведе до зближення атомів.
Існує пара пояснень походження негативного коефіцієнта температурного розширення; в залежності від структури матеріалу вчені говорять про співпрацю низькоенергетичних збуджень (фононів) з кристалічною решіткою, або про стерическое рухливості зв'язків.
Але при результату, помічаємо в наночастицах CuO, вчені пов'язують його з магнітними особливостями наночастинок, тому, що температура переходу з простого стану в стан з негативним коефіцієнтом температурного розширення корелює з температурою трансформації магнітних особливостей CuO. Такий же ефект вчені помічали і в фториді марганцю (II) - MnF2, що також володіє магнітними особливостями. До того ж, макроскопічні частинки CuO і MnF2 володіють сильно вираженою магнітострикцією, іншими словами здатні змінювати лінійні розміри і форму при дії зовнішнього магнітного поля - магнітострикція цих матеріалів веде до великого розширення макроскопічних частинок.
Пояснення японськими вченими цього результату для магнітних наночастинок наводиться в термінах магнитострикции і інвар-ефекту (явища компенсації коефіцієнта теплового розширення спонтанної магнітострикції): при низькій температурі, в той час, коли матеріал буде в магнітному стані, атоми металу шикуються попарно, утворюючи нано-магніти . Ці структури зазнають між собою відштовхування, і так відстань між намагніченими атомами зростає; отже, в той час, коли такий матеріал нагрівається, а атоми починають вібрувати, відбувається якесь нівелювання магнітного межатомного відштовхування, що виявляється у вигляді стиснення матеріалу при нагріванні, іншими словами відзначається негативний коефіцієнт температурного розширення.
Вчені припускають, що змальоване явище - одне з фундаментальних особливостей магнітних наночастинок, яке демонструє сильну зв'язок між кристалічною структурою і магнетизмом матеріалу. Створення нових матеріалів з «налаштованим» хорошими і негативними коефіцієнтами температурного розширення на базі інвар-нового і ефекту властивості магнітних наночастинок, неодмінно, уявляє інтерес для застосування на практиці.
Вчені зберігають надію керуючись даною теорією відкрити або інші магнітні наночастинки, які володіють в якомусь діапазоні температур властивістю стискатися при нагріванні.
Розміщено в NanoWeek,