Если у вас есть запломбированные зубы, то вам наверняка приходилось чувствовать некий дискомфорт во рту, когда, к примеру, вы пили горячий чай. Дело в том, что скорость термического расширения пломбировочного материала отличается от таковой для самогó зуба, отсюда и непривычные ощущения. Но, как бы это ни противоречило нашей житейской интуиции, не все материалы расширяются при нагревании: есть и такие, что сжимаются.

Одно из недавних исследований в области так называемых материалов с отрицательным коэффициентом термического расширения (NTE, negative thermal expansion) привело к открытию сплавов, демонстрирующих неожиданно большое сжатие.

Рис. 1. Изготовленное из инвара балансировочное кольцо эксклюзивного часового механизма (фото Bexei).

Вообще говоря, контроль над термическим расширением композитов чрезвычайно важен в таких, например, областях, как наноразмерная электроника, создание теплоэлектрических устройств, топливных ячеек следующего поколения, да даже и в автомобилестроении: представьте себе двигатель, в котором вдруг очень уж резко начинает расширяться камера сгорания или сам поршень. Если бы можно было объединить NTE-материалы с «нормальными», это позволило бы уменьшить совокупное расширение в композиционном материале (и тогда вам не мешали бы никакие пломбы). Примером такого композита является инвар, железо-никелевый сплав с уникально низким коэффициентом термического расширения. Более всего он пригодился там, где требуется высокая стабильность, — к примеру, в высокоточных инструментах и часах.

Коши Такенака из Нагойского университета (Япония) занят практическими применениями NTE-материалов. В последнем номере журнала Science and Technology of Advanced Materials г-н Такенака опубликовал очень любопытный обзор «Negative thermal expansion materials: technological key for control of thermal expansion», в котором рассмотрены физические механизмы, ответственные за эффект NTE; особый упор сделан на самые последние исследования в этой области. Статья, доступная для загрузки, совершенно точно будет интересна материаловедам.

Г-н Такенака предсказывает, что скоро NTE-материалы серьёзно расширят наши возможности контроля над термическим расширением, приведут к выработке новой парадигмы в науке о материалах и технологии композитов с управляемым коэффициентом термического расширения.

Одной из сложнейших проблем, которая стоит сейчас перед учёными, работающими в этой области, является нестабильность интерфейса, возникающего при добавлении NTE-материала к обычным композитам. Поэтому, по мнению исследователя, критически важно как можно скорее начать разработку методов получения стабильных интерфейсов между композитом-«хозяином» и NTE-компенсатором.

Разумеется, не стоит забывать и об однокомпонентных материалах, таких как марганцевые антиперовскиты, ванадат циркония, вольфрамат гафния и др., которые также обладают очень незначительным коэффициентом термического расширения. Эх, если бы не их высокая стоимость, хрупкость и низкая проводимость — цены бы им не было…