«Покачивания» молекул могут объяснить, почему некоторые твердые вещества сжимаются при нагревании

Когда вещи нагреваются, большинство твердых частиц расширяется, поскольку более высокие температуры заставляют атомы колебаться активнее, требуя больше места. Но некоторые твердые кристаллы, такие как фторид скандия, сжимаются при нагревании — это явление называется отрицательным тепловым расширением.

В кристалле фторида скандия расстояние между атомами скандия (показано зеленым цветом выше) и фтора (синего цвета) практически не меняется при более высоких температурах.
Но атомы фтора могут двигаться ближе и дальше друг от друга, вызывая сжатие кристалла.
© BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

Теперь, измеряя расстояния между атомами в кристаллах фторида скандия, ученые могут предположить, как происходит это сжимание. В то время как связи между скандием и фтором остаются постоянными при нагревании, атомы фтора в кристалле могут свободно колебаться. Исследователи сообщают о том, что такое сочетание жесткости и гибкости приводит к деформации боковых сторон кристалла.

«Одни из самых больших проблем в нашей области связаны с ответами на вопросы о твердом теле» в отношении структур, подобными фториду скандия», — говорит Джейсон Хэнкок, физик из Университета Коннектикута в Сторрсе, который не принимал участия в исследовании. Раскрытие тайны отрицательного теплового расширения во фториде скандия может помочь физикам лучше понять свойства подобных материалах, таких как сверхпроводники на основе меди, которые передают электричество без сопротивления, но только при температурах, слишком низких для практического использования.

Фторид скандия «является самым простым материалом, в котором это явление присутствовало в полную силу, и это позволило нам распутать то, что происходит на самом деле», — говорит Игорь Зализняк, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне (штат Нью-Йорк). Зализняк говорит, что в других материалах этот эффект может происходить похожим образом.

Команда выяснила механизм, используя технику, называемую полной дифракцией нейтронов. Исследователи бомбардировали фторид скандия пучком нейтронов и фиксировали, как субатомные частицы отскакивали от кристаллов при температурах до 1100 кельвинов (около 827°С). Анализируя закономерности рассеяния, ученые рассчитали вероятные расстояния между парами атомов.

Расстояние между атомами скандия и фтора было примерно одинаковым при нагревании: это означает, что химическая связь между ними является жесткой. То же самое подтвердилось для расстояния между отдельными атомами скандия. Но между атомами фтора был огромный диапазон расстояний: это означает, что их позиции в атомной решетке кристалла более гибкие. Исследователи говорят, что эта комбинация фиксированных и переменных расстояний между атомами сохраняет кристалл примерно в его кубической форме, позволяя его сторонам изгибаться и сжиматься.

Статья опубликована в журнале Science Advances
Источник: scientificrussia.ru