Обычно материалы обладают положительным коэффициентом температурного расширения, то есть их линейные размеры увеличиваются при нагревании. Так, бетонные конструкции в жаркий день могут деформироваться из-за неравномерного прогревания. Японские ученые из исследовательского центра RIKEN, Университета Сага (Saga University) и Национального Института Передовой Прикладной Науки и Технологии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST) выявили несколько материалов, которые не подчиняются этому эмпирическому правилу. В работе, опубликованной недавно в журнале Nature Nanotechnology, сообщается, что наночастицы оксида меди CuO, как это ни удивительно, сжимаются при нагревании

На изображении, полученном с помощью
дифракции электронов, видно, что расстояние
между белыми пятнами обратно
пропорционально расстоянию между атомами
в частицах CuO, и может уменьшаться или
увеличиваться при расширении или
сжатии тела, соответственно.

Наночастицы размером около 5 нм были получены путем измельчения макроскопических кристаллов CuO. Исследуя с помощью рентгеновской и электронной дифракции изменение межатомных расстояний при изменении температуры от –253.15°C до –73.15°C (200К), ученые выявили уменьшение объема вещества примерно на 1%: этот эффект в несколько раз сильнее, чем у других материалов, сжимающихся при нагревании. При дальнейшем увеличении температуры (выше 200 К) наночастицы начинают расширяться.

Основным фактором, вызывающим температурное расширение вещества, является, как известно, нагнетающийся при нагревании колебательный профиль атомов; вместе с этим увеличиваются как вероятность нахождения атома вне своего равновесного положения, так и объем пространства вероятного нахождения атома. Отрицательный же коэффициент температурного расширения наблюдается когда вследствие нагревания атомы имеют тенденцию к сближению. Например, если атом кислорода, связанный с двумя атомами металла, будет при нагревании вибрировать перпендикулярно линии связей, то это приведет к сближению атомов.

Существует несколько объяснений возникновения отрицательного коэффициента температурного расширения; в зависимости от структуры материала ученые говорят о взаимодействии низкоэнергетических возбуждений (фононов) с кристаллической решеткой, либо о стерической подвижности связей.

Однако в случае эффекта, наблюдаемого в наночастицах CuO, ученые связывают его с магнитными свойствами наночастиц, поскольку температура перехода из обычного состояния в состояние с отрицательным коэффициентом температурного расширения коррелирует с температурой изменения магнитных свойств CuO. Такой же эффект ученые наблюдали и во фториде марганца (II) – MnF2, который тоже обладает магнитными свойствами. К тому же, макроскопические частицы CuO и MnF2 обладают ярко выраженной магнитострикцией, то есть способны изменять форму и линейные размеры при воздействии внешнего магнитного поля – магнитострикция этих материалов приводит к значительному расширению макроскопических частиц.

Объяснение японскими учеными этого эффекта для магнитных наночастиц приводится в терминах магнитострикции и инвар-эффекта (явления компенсации коэффициента теплового расширения спонтанной магнитострикцией): при низкой температуре, когда материал находится в магнитном состоянии, атомы металла выстраиваются попарно, образуя нано-магниты. Эти структуры претерпевают между собой отталкивание, и таким образом расстояние между намагниченными атомами увеличивается; следовательно, когда такой материал нагревается, а атомы начинают вибрировать, происходит некоторое нивелирование магнитного межатомного отталкивания, проявляющееся в виде сжатия материала при нагревании, то есть наблюдается отрицательный коэффициент температурного расширения.

Ученые предполагают, что описанное явление  – одно из основных свойств магнитных наночастиц, демонстрирующее сильную взаимосвязь между магнетизмом и кристаллической структурой материала. Создание новых материалов с «настраиваемыми» положительными и отрицательными коэффициентами температурного расширения на основе инвар-эффекта и нового свойства магнитных наночастиц, безусловно, представляет интерес для практического использования.

Ученые надеются руководствуясь этой теорией открыть и другие магнитные наночастицы, обладающие в некотором диапазоне температур свойством сжиматься при нагревании.

Мария Костюкова