Nyt avanceret materiale viser ekstraordinær stabilitet over et bredt temperaturområde

Forskere fra UNSW har fundet et ekstraordinært materiale, der ikke udvider sig eller trækker sig sammen over et ekstremt bredt temperaturområde og kan være et af de mest stabile materialer, man kender.

Brug af instrumenter på ANSTOs australske synkrotron og australske center for neutronspredning samt andre teknikker, holdet ledet af UNSW A/Prof Neeraj Sharma, en ARC Future Fellow, demonstreret, at det nul termiske ekspansionsmateriale fremstillet af skandium, aluminium, wolfram og oxygen ændrede sig ikke i volumen fra 4 til 1400 Kelvin (-269 til 1126 °Celsius).

Deres forskning, offentliggjort i Materialernes kemi , bekræftede den strukturelle stabilitet af Sc _1.5 EN _l0,5 W ₃ O ₁₂ med kun få ændringer i obligationerne, position af oxygenatomer og rotationer af atomarrangementerne.

Materialer med nul ekspansion bruges i højpræcisionsmekaniske instrumenter, kontrolmekanismer, luftfartskomponenter og medicinske implantater, til miljøer, hvor stabilitet ved varierende temperaturer er kritisk.

På grund af den relativt enkle syntese af materialerne og den gode tilgængelighed af aluminiumoxid og wolframoxid, storskalafremstilling er en mulighed.

"Vi udførte eksperimenter med disse materialer i forbindelse med vores batteribaserede forskning, til ikke-relaterede formål, og tilfældigt stødte på denne enestående egenskab ved denne særlige komposition, " sagde Sharma.

Omfattende neutronspredningsmålinger blev udført ved Australian Center for Neutron Scattering.

"Echidna er fantastisk til at bestemme struktur, især på detaljerne i de lettere elementer, " sagde Senior Instrument Scientist Dr. Helen Maynard-Casely, som assisterede med målingerne på højopløsningspulverdiffraktometeret Echidna.

"Mærkeligt nok, eksperimenterne tyder på, at disse små atomare forskydninger og justeringer ser ud til at blive udført i samarbejde, " tilføjede hun.

"Bevægelser og rotationer af atomer og radier er ganske almindelige, men denne korrelerede adfærd var ret uventet, sagde Maynard-Casely.

De krystallografiske data fra diffraktionseksperimenterne afspejler kombinationen af ​​subtile, men observerbare forvrængninger af de polyedriske enheder, bindingslængder, vinkler og iltatomer, der gør det muligt for materialet at absorbere temperaturændringer.

"Er det bindingslængderne, der udvider sig? Er det forskydningen af ​​iltatomerne? Eller, roterer hele polyederen? Vi har tre faktorer, der hænger sammen.

"På dette tidspunkt, det er ikke klart, om en eller alle disse medvirkende faktorer er ansvarlige for stabiliteten over en række temperaturer, og vi undersøger yderligere for at prøve at isolere mekanismen, " sagde Sharma.

Forskerne bemærkede, imidlertid, at fordi denne specifikke materialesammensætning demonstrerede denne egenskab, andre faktorer end atomradius kan være på spil, såsom mere kompleks krystallografisk eller dynamisk adfærd.

Undersøgelser af andre former for materialet af interesse blev foretaget på pulverdiffraktionsstrålelinjen ved den australske synkrotron med bistand fra Senior Instrument Scientist, Dr. Helen Brand. Lidt forskellige forhold mellem grundstofferne viste ikke den termiske udvidelse på nul.

Gruppen udfører i øjeblikket uelastiske neutronspredningsmålinger ved Center for Accelerator Science på denne sammensætning.