Kordieritin anormal ve ultra düşük termal genleşmesi, kafes titreşimleri ile malzemenin elastik özellikleri arasındaki etkileşimden kaynaklanır. Bu, şu sonuca varır: Martin Güvercin İngiltere'deki Çin'in Sichuan Üniversitesi ve Londra'daki Queen Mary Üniversitesi'nde ve Li Li Çin Sivil Havacılık Uçuş ÜniversitesiMalzemenin alışılmadık davranışının, kordieritin farklı yönlerdeki termal genleşmesini değiştiren, kafesindeki yön değiştiren elastik kuvvetlerden kaynaklandığını gösterdiler.
Kordiyerit, sentezlenebilen doğal olarak oluşan bir mineraldir. Olağanüstü termal özellikleri sayesinde pizza taşlarından katalitik konvertörlere kadar uzanan ürünlerde kullanılır. Yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, iki yönde ultra düşük termal genleşmeye uğrar ve üçüncü yönde çok az miktarda büzülür. Bu, onu boyut değiştirmeden veya hasar görmeden ısıtılabilen ve soğutulabilen bir malzeme olarak inanılmaz derecede kullanışlı hale getirir.
Yaygın kullanımına rağmen, bilim insanları kordieritin anormal termal genleşmesinin kristal kafesinin özelliklerinden nasıl kaynaklandığına dair temel bir anlayıştan yoksundur. Normalde, termal genleşme (pozitif veya negatif) Grüneisen parametreleri açısından anlaşılır. Bunlar, kafesteki titreşim modlarının (fononlar) sıcaklık değiştikçe her eksen boyunca genleşmesine veya daralmasına nasıl neden olduğunu açıklar.
Negatif Grüneisen parametreleri, ısıtıldığında küçülen bir kafesi tanımlar ve kordieritin termal büzülmesini anlamak için anahtar olarak görülür. Ancak, malzemenin termal tepkisi izotropik değildir (yüksek sıcaklıklarda ısıtıldığında yalnızca bir eksen boyunca büzülür), bu nedenle kordieriti yalnızca Grüneisen parametreleri açısından anlamak zordur.
İleri moleküler dinamikler
Dove ve Li, çalışmalarında kordierit kafesteki atomların davranışlarını doğru bir şekilde modellemek için gelişmiş moleküler dinamik simülasyonları kullandılar. Malzemenin termal genleşmesine ilişkin deneysel gözlemleriyle yakından eşleştiler ve bu da onlara malzemenin neden sadece bir yönde negatif termal genleşmeye sahip olduğuna dair önemli içgörüler sağladı.
Dove, "Araştırmamız, kordieritin anormal termal genleşmesinin atomik titreşimler ve elastikiyet arasındaki şaşırtıcı bir etkileşimden kaynaklandığını gösteriyor," diye açıklıyor. Elastikiyet, bir malzemenin belirli bir yönde uygulanan bir kuvvete yanıt olarak nasıl bozulacağını tahmin eden elastik bir uyum tensörü biçiminde tanımlanıyor.
Daha düşük sıcaklıklarda, kafes titreşimleri daha düşük frekanslarda meydana gelir. Bu durumda, simülasyonlar her yönde negatif termal genleşmeyi öngörmüştür - bu da malzemenin gözlemleriyle uyumludur.
Daha yüksek sıcaklıklarda, kafes yüksek frekanslı titreşimler tarafından domine edilir. Prensip olarak, bu her üç yönde de pozitif termal genleşmeyle sonuçlanmalıdır. Ancak, Dove ve Li, bu genleşmenin elastik uyumluluk tensörü tarafından tanımlandığı gibi malzemenin elastik özellikleri tarafından iptal edildiğini keşfettiler.
Dahası, kristal kafesin benzersiz düzenlemesi, bu tensörün uygulanan kuvvetin yönüne bağlı olarak değişmesi anlamına geliyordu ve bu da malzemenin her eksen boyunca genişlemesi arasındaki farkları artıran bir dengesizlik yaratıyordu.
İptal mekanizması
Dove, "Bu iptal mekanizması, kordieritin iki yönde küçük pozitif genleşme ve üçüncü yönde küçük negatif genleşme göstermesinin nedenini açıklıyor," diye açıklıyor. "Başlangıçta, sonuçlara şüpheyle yaklaştım. İlk veriler hem yüksek hem de düşük sıcaklıklarda düzgün genleşme davranışı olduğunu gösteriyordu, ancak nihai sonuçlar hassas bir kuvvet dengesi olduğunu ortaya koydu. Bilimsel bir şans anıydı."
Dove ve Li'nin sonuçları, toplamda, kordieritin anormal davranışının yalnızca üç ekseninin Grüneisen parametrelerine odaklanılarak anlaşılamayacağını açıkça göstermektedir. Elastik uyum tensörünü hesaba katmak çok önemlidir.
Bu uzun süredir devam eden gizemi çözerken, ikili şimdi sonuçlarının araştırmacıların kordieritin termal genleşmesinin farklı sıcaklıklarda nasıl değişeceğini daha iyi tahmin etmelerine yardımcı olabileceğini umuyor. Buna karşılık, malzemenin faydalı uygulamalarını daha da genişletmeye yardımcı olabilirler.
Dove, "Kordierit gibi anizotropik malzemeler, benzersiz termal davranışlara sahip yüksek performanslı malzemeler geliştirmek için muazzam bir potansiyele sahiptir" diyor. "Yaklaşımımız bu özellikleri hızla tahmin edebilir ve pahalı ve zaman alıcı deneysel prosedürlere olan bağımlılığı önemli ölçüde azaltabilir."
Araştırma şu şekilde açıklanmaktadır: Mesele.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/elastic-response-explains-why-cordierite-has-ultra-low-thermal-expansion/
