Undersøgelse undersøger bemærkelsesværdig negativ termisk ekspansion set i lagdelte ruthenater

En tidligere ubemærket monoklinisk forvrængning i Ca ₂ RuO ₄ forklarer dens enorme negative termiske ekspansion (NTE) over en lang række temperaturer, opdag forskere fra Tokyo Tech. Arbejdet lover en anden vej for design af ukonventionelle NTE -materialer, med applikationer i motorer, termisk barriere keramik, og præcisionsinstrumenter, blandt andet.

De fleste materialer udvider sig ved opvarmning, derfor har jernbanespor og broer særlige ekspansionsfuger, der hjælper dem med at klare ekstremt vejr. Men et lille antal materialer gør det modsatte. Det sjældne fænomen at krympe ved opvarmning kaldes negativ termisk ekspansion (NTE). Et materiale med bemærkelsesværdig NTE er Ca ₂ RuO ₄ (CRO), som er kendt som et lagdelt ruthenat.

CRO har været et forskningsfokus siden professor Koshi Takenaka ved Nagoya University fandt sin NTE at strække sig over et 200-graders område. I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Kemi af materialer , forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Nagoya Universitet, Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology, Osaka Prefecture University, Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) og National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology afslører de fysiske egenskaber, der er ansvarlige for CROs spændende adfærd. "Vores tidligere arbejde viste 6,7% volumenkrympning i en CRO -sintret krop, mens den krystallografiske ændring kun var 1% og var ret anisotrop. I øvrigt, der manglede en grundig forståelse af dens oprindelse, især om, hvor varierende iltindholdet skifter NTE til PTE, "siger prof. Masaki Azuma, der ledede undersøgelsen. Anisotropi refererer til en variation i fysiske egenskaber langs forskellige krystalakser.

Prof. Takenaka og hans samarbejdspartnere syntetiserede to slags CRO:reduceret CRO og oxideret CRO. Den grundlæggende forskel mellem de to prøver er, at oxideret CRO indeholder en fraktioneret mængde interstitiel ilt i krystalstrukturen.

Forskerteamet, som omfattede Dr. Lei Hu fra Tokyo Tech, analyserede reduceret CRO og så, at den har en monoklinisk krystalstruktur ved lave temperaturer, som kan forstås ved tre akser, der danner et rektangulært prisme med et parallelogram som grundlag. Efter eksperimentelle undersøgelser og teoretiske beregninger, de så, at monoklinisk CRO har forvrængninger i sin krystalstruktur kendt som Jahn-Teller-forvrængninger, og en rotation af byggesten i CRO, et RuO ₆ oktaeder. Den monokliniske fase kontraheres i en krystallografisk retning. Jahn-Teller-forvrængningen refererer til en geometrisk forvrængning af RuO ₆ der sænker systemets samlede energi. Det er disse forvrængninger, der er ansvarlige for CRO's usædvanlige NTE -adfærd. Jahn-Teller-forvrængningen er også forbundet med en orbitalordning i systemets elektroniske struktur.

Når reduceret CRO opvarmes, disse forvrængninger forsvinder, og den monokliniske krystal omdannes langsomt til en orthorhombisk struktur (et rektangulært prisme med en rektangulær base). De nålformede krystalkorn, der danner materialestrukturen, udvider sig i længderetningen, men trækker sig sammen langs de to andre akser, og de deformeres til en tromleform, når temperaturen stiger. Dette forårsager en stor samlet volumenkontraktion på grund af reduktion af pore mellem kornene.

Det interstitielle ilt, der findes i oxideret CRO, synes at spille en kritisk rolle i dets fravær af NTE. For at forstå hvorfor, Dr. Hu udførte teoretiske beregninger på forskellige krystalgeometrier set i forsøget. "Vi mener, at den interstitielle ilt bryder orbitalordenen og stabiliserer forlænget RuO ₆ oktaeder, hvilket letter forekomsten af ​​positiv termisk ekspansion (PTE), "siger Dr. Hu.

Udnyttelse af egenskaberne ved NTE og PTE kan føre til konstruktion af kompositter, der ikke viser nogen samlet termisk ekspansion. Sådanne materialer ville have en pålidelig, konstant ydeevne over store temperaturområder, hvilket gør dem meget ønskelige ikke kun til kompleks videnskabelig instrumentering, men selv til dagligdags genstande som kogeplader og halvledere. "Dette arbejde giver indsigt i styringen af ​​termisk ekspansion gennem den frihedsgraden, og kaster også lys over, hvordan strukturelle defekter påvirker krystal, lokale og elektroniske strukturer, "slutter prof. Azuma.