Fysikeren peger på måde at kontrollere elasticiteten med magnetisme

Hvis Plastic Man, Elastigirl eller Mr. Fantastic nogensinde støder på Magneto, de må hellere håbe, at den ikoniske X-Men-figur ikke har læst den seneste forskning fra Christian Binek.

Fysikeren ved University of Nebraska-Lincoln har fundet ud af, at under visse betingelser, et materiales magnetiske egenskaber kan forudsige forholdet mellem dets elasticitet og temperatur.

Hans fund kan pege vejen mod at kontrollere elasticiteten af ​​visse materialer ved at designe deres magnetiske egenskaber eller anvende et magnetfelt på dem. I betragtning af den lethed, hvormed magnetfelter nu kan manipuleres, Binek sagde, det kan i sidste ende betyde skræddersyning af elasticitet ved blot at trykke på en knap eller dreje på en knap.

I mellemtiden, at vide, at magnetisme alene kan forudsige, hvordan elasticitet vil reagere - eller ikke reagere - på temperaturændringer, kan hjælpe ingeniører med bedre at vælge eller designe materialer til specifikke formål.

Binek citerede 1986's opløsning af Challenger rumfærgen som et fremtrædende eksempel på elasticitetens betydning i teknisk design. Hærdningen og svigtet af en elastisk O-ring på Challengers raketforstærker-en konsekvens af kolde temperaturer-fik i sidste ende skytten til at bryde fra hinanden, dræbe sine syv besætningsmedlemmer.

"Så du kan finde materialer, der ikke ændrer elastiske egenskaber med temperaturen, "sagde Binek, professor i fysik og astronomi. "Du kan finde materialer, der ændres med temperaturen efter behag. Og du kan finde materialer, hvor du kan, ved en given temperatur, ændre de elastiske egenskaber ved en ekstern kontrol. "

Termodynamisk duo

Termodynamikkens love beskriver forholdet mellem mange faktorer - temperatur, entropi, bind, tryk - der påvirker, hvordan varme omdannes til andre energiformer. Og det har længe været kendt, at disse love omfatter egenskaberne ved magnetisme og elasticitet.

Men ved at udlede en ny formel fra eksisterende, Binek formåede at vise, at forholdet mellem elasticitet og temperatur grundlæggende er kodet i et materiales magnetisme.

Bineks formel har begrænsninger. For nu, det gælder kun, hvis et materiales magnetiske adfærd ændres lineært med magnetfeltet, der påføres det. Ligeledes, materialets elasticitet skal være lineær, hvilket betyder, at mængden af ​​belastning, den udviser, konstant skal være proportional med mængden af ​​fysisk stress, der udøves på den.

Ikke desto mindre, formlen gælder for materialer med forskellige former for magnetisme. Det inkluderer den form, der teknisk findes i hvert materiale:diamagnetisme, som beskriver en tendens til at frastøde magnetfelter så svagt, at det går ubemærket hen uden specialiserede instrumenter.

Superledende materialer - dem, der ikke er modstandsdygtige over for elektricitet - viser en udtalt form for diamagnetisme under en kritisk temperatur, på hvilket tidspunkt begynder de helt at afvise magnetfelter. Under denne temperaturgrænse, Binek fandt noget bemærkelsesværdigt:Superledernes elasticitet reagerer ikke længere på temperaturændringer. Dette fænomen holdt, da han udførte beregninger for både keramiske og enkeltkrystal-superledere, som har væsentligt forskellige mikroskopiske overflader og atomstrukturer.

"Mit (matematiske) udtryk gør ingen påstande om materialet, "Sagde Binek." Det er meget generelt. Der står kun:Hvis modtageligheden (for magnetisme) er konstant, så skal den elastiske egenskab være konstant. Hvis det er sådan, intet andet (om superlederen) burde have betydning, hvilket ærligt talt er lidt svært at tro.

"Du spekulerer på:Hvordan kan noget som en elastisk egenskab, som helt sikkert afhænger af strukturelle detaljer, være uafhængig af noget, der er relateret til strukturen? Men så går du til den (videnskabelige) litteratur, anvende din formel, og du finder det, Ja, det er rigtigt."

Den elastisk-magnetiske formel gælder også for materialer, for hvilke magnetfelter fremkalder en svag tiltrækning kendt som paramagnetisme. Og ferromagnetiske materialer - dem, der er stærkt tiltrukket af magnetfelter og normalt synonym med udtrykket "magnetisk" - adlyder Bineks formel over en bestemt temperaturgrænse, der får dem til at opføre sig mere som deres paramagnetiske fætre.

Binek sagde, at formlen endda kunne fungere for ferroelektriske materialer, hvis tilpasning af positive og negative ladninger, eller polarisering, kan vendes af et elektrisk felt. Ferroelektricitet letter opbevaring af elektrisk energi, gør den nyttig i enheder lige fra kondensatorer til tilfældig adgangshukommelse.

"I stedet for at justere de elastiske egenskaber ved et magnetfelt, du kan muligvis indstille dem med elektriske felter, "sagde han." Teknologisk set det kunne være endnu mere interessant.

"Der er bestemt mange applikationer, man kunne tænke på, og jeg tror, ​​at mange af dem kan være nyttige. Jeg håber, at dette ikke er slutningen på historien, men snarere begyndelsen. "