Российские ученые впервые получили тонкостенные микротрубки из материала, сжимающегося при нагревании — фторида скандия. Обычно материалы при нагревании, наоборот, расширяются. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Большая часть известных человечеству материалов расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Дело в том, что атомы твердого тела зафиксированы в одной точке кристаллической решетки и при температуре, отличной от абсолютного нуля, колеблются относительно положения своего равновесия. Амплитуда таких колебаний зависит от внутренней энергии кристалла, которая, в свою очередь, определяется его температурой. Если температура увеличивается, то энергия атомов и амплитуда их колебаний растут. Таким образом, атомам требуется больше свободного пространства, из-за чего кристалл расширяется. Аналогичные процессы происходят, когда материал сжимается при понижении температуры.

Из этого правила, однако, есть исключения. Некоторые материалы проявляют аномальные свойства и способны сжиматься при нагревании, а расширяться при охлаждении. Ученые объясняют это тем, что подобные материалы содержат в себе атомные микроструктуры в форме тетраэдров и октаэдров, которые при нагревании смещаются более компактно, и общий объем кристалла уменьшается. Один из таких материалов — фторид скандия. Он отличается относительно простой кристаллической решеткой и большим диапазоном температур (от 10 до 1100 кельвинов) проявления аномальных термических свойств.

Ученые кафедры химии твердого тела СПбГУ разработали методику получения микротрубок из фторида скандия. В своей предыдущей работе исследователи смогли получить стержни фторида скандия и выяснили, что они кристаллизуются в ранее неизвестной модификации. В следующем исследовании химики путем точной настройки условий синтеза: состава, концентрации и рН жидкой фазы – смогли получить полые микротрубки.

Сам процесс кристаллизации протекает на границе раздела двух фаз: водного раствора нитрата скандия и газообразной фтороводородной кислоты. В результате реакции этих двух веществ на поверхности раствора образуются кристаллы нового соединения — фторида скандия. Изменение условий реакции позволяет получать различные формы кристаллов.

«В работе продемонстрирована пока только возможность синтеза тонкостенных микротрубок. На следующем этапе мы изучим термическое поведение синтезированных полых кристаллов для составления рекомендаций по их применению. В частности, на основе фторида скандия можно создавать материалы с программируемым термическим поведением, но для этого нужно изучить возможности получения композитных материалов с помощью нашего метода. И наконец, наши результаты имеют фундаментальное значение. Мы будем пытаться адаптировать разработанную методику синтеза микротрубок для получения других неорганических материалов с подобной морфологией», — говорит автор исследования, старший научный сотрудник СПбГУ Лариса Гулина.

По словам ученых, полученные ими микротрубки необходимы во многих областях, в частности для защиты высокоточных компонентов микроэлектромеханических систем от теплового расширения. Полая трубка, сжимающаяся при нагревании, может обладать особыми преимуществами при использовании, например, в качестве защитного контейнера.