一部の合金は加熱しても膨張しないのはなぜですか?

Aug 18, 2023

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カリフォルニア工科大学 (Caltech) の研究者らによる新しい研究で、一部の合金が高温になっても膨張しない理由が明らかになりました。 高温では、いわゆるインバー合金の固有の磁気特性により、予想される熱膨張を打ち消すのに十分な収縮が引き起こされる可能性があります。 研究結果はNature Physics誌に掲載される。

熱膨張は、材料が熱を吸収すると発生し、その原子がより強く振動し、隣接する原子を押しのけます。 その結果、材料の密度が低くなり、サイズがわずかに大きくなります。

これらの原子スケールの動きは大したことのように聞こえないかもしれませんが、合計すると、パリの暑い日には、エッフェル塔は最大 15 センチメートルも膨張することがあります。

これは観光名所に関する楽しい事実ですが、高精度の用途に金属が必要な場合、熱膨張は悲惨な結果を招く可能性があります。 精密に調整された望遠鏡や腕時計が膨張して動かなくなることは誰も望んでいません。

「膨張しない金属を見つけるのはほとんど前代未聞です」と材料科学の大学院生であり、新しい論文の筆頭著者であるステファン・ローハウス氏は言う。 「しかし 1895 年に、ある物理学者が、それぞれ正の熱膨張を持つ鉄とニッケルを特定の割合で組み合わせると、非常に珍しい挙動を示すこの材料が得られることを偶然発見しました。」

このニッケルと鉄の合金はインバーとして知られています。この名前は、変化に対する耐性を表す「不変」という言葉に由来しています。

歴史的に、強磁性（磁化可能な）合金のみがインバーとして作用することが観察されているため、研究者らは、この異常な熱膨張に対する耐性が金属の磁気特性と関係があるのではないかと疑っていました。

「磁気と原子振動の両方を測定できる非常にきちんとした実験装置があるので、それを調べることにしました」とロハウス氏は言う。 「これはこれに最適なシステムでした。」

研究者らは、アルゴンヌ国立研究所の高度光子源のシンクロトロンを使用して、インバールの小さなサンプルの振動スペクトルと磁性を測定しました。

インバー片は、ダイヤモンド アンビル セル内で圧力をかけて保持されました。このセルでは、2 つの精密に研磨されたダイヤモンド チップがサンプルを挟んでしっかりと締め付けられます。 ここでは、強力な X 線のビームが合金に照射される前に、インバー合金が 200,000 気圧の圧力で圧縮され、そこでサンプルの原子の振動と相互作用します。 X線によって運ばれるエネルギー量の変化を測定することで、科学者はサンプル内の原子がどの程度振動しているかを推測できます。

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研究者らはまた、サンプル内の電子のスピン状態によって生成される干渉パターンを検出できるセンサーをダイヤモンドアンビルセルの周囲に配置しました。 強磁性体の磁気特性はその電子のスピン状態によって引き起こされるため、これは非常に重要です。スピンは通常「上」または「下」と呼ばれ、角運動量の一種の量子尺度として考えることができます。 強磁性金属では、これらのスピンは互いに平行に整列し、同じスピン方向を持つ磁性「ドメイン」を形成します。

このセットアップを使用して、研究者らは、サンプルの温度を上げながら、インバールサンプル内の電子のスピン状態とその原子振動を調べました。

低温では、インバーの電子の多くが同じスピン状態を共有するため、電子はさらに遠くに移動します。 これにより、親原子がさらに遠くに押しやられるため、熱膨張が可能になります。