Российские и китайские ученые изучили NTE-поведение вещества со слоистой структурой, чтобы понять, как лучше управлять двумерными материалами с NTE или композитами, в которые входят подобные материалы. Результаты исследования позволят значительно расширить область их применения. Работа выполнена сотрудниками Сибирского федерального университета (СФУ) и Технического института физики и химии Китайской академии наук.
Отрицательное тепловое расширение (Negative thermal expansion, NTE) — довольно необычный тип поведения для твердых тел. Обычно вещества при нагревании расширяются. Атомы твердых тел начинают с большей амплитудой колебаться в кристаллической решетке и занимают больший объем. Так же ведут себя многие жидкости и газы. Вопреки этой логике, есть вещества, обладающие отрицательным коэффициентом теплового расширения: яркий пример такого поведения — обычный лед.
«В этом исследовании мы наблюдали двухмерное NTE-поведение в кристалле метабората лития, происходящее внутри графитоподобных слоев. Удалось установить, что такое поведение обусловлено необычным уменьшением углов ∠O-Li-O и ∠B-O-B внутри таких слоев, которое в свою очередь вызвано увеличением длин связей Li-O при повышении температуры», — сообщил соавтор статьи, доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Молокеев.
Метаборат лития — известное неорганическое соединение, соль лития и метаборной кислоты с формулой LiBO2. Это бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и образующие кристаллогидраты. Легкость синтеза, а также доступность исходных материалов позволяют рассматривать эти кристаллы как интересные объекты для изучения двумерного NTE. Кроме того, ученых заинтересовали перспективы применения LiBO2 в оптике, ведь материалы с отрицательным тепловым расширением имеют очень широкий спектр применения — это техника, электроника, строительство, медицина и, конечно, фотоника.
«Посредством смешивания LiBO2 с материалом, обладающим обычным тепловым расширением, можно получить различные композитные материалы с нулевым расширением, чтобы стабилизировать эффект «температурных качелей». Например, стоматологические пломбы и зубная эмаль, когда человек пьет горячий чай, расширяются с разной скоростью. Если бы пломбы изготавливали из композита с нулевым расширением — это бы решило проблему болей, возникающих как реакция на горячий напиток. Что касается оптики, там тоже нужны материалы с хорошо контролируемым тепловым расширением. Скажем, теплопроводность материалов имеет большое значение для сохранения теплового баланса в приложениях лазерной оптики, а также при проектировании оптических линз и подложек», — сказал Максим Молокеев.
В результате исследования обнаружилось, что в кристалле метабората лития решающую роль играет примерно одинаковое растяжение Li-O как в плоскости слоя, так и вне плоскости. Это позволило пересмотреть сложившееся мнение, что межслоевое взаимодействие должно быть значительно слабее внутрислоевого, и расширило область исследования материалов NTE.
Изучив оптическую пропускающую способность кристалла LiBO2, исследователи выяснили, что материал имеет высокую прозрачность в диапазоне 190-5790 нм при комнатной температуре и обладает широким спектральным диапазоном (от ультрафиолетового до инфракрасного излучения). Расчеты показали, что широкий диапазон оптического пропускания будет поддерживаться и при изменении температуры. Это важный фактор для материала, применяющегося в оптике. Благодаря преимуществу 2D-NTE в сочетании с превосходными оптическими свойствами, LiBO2 найдет широкое применение в сверхточных оптических устройствах, работающих при низких температурах.
Статья о разработке опубликована в журнале ACS Publications.