零下 269℃ 到 1,126℃ 都幾乎不會膨脹收縮,新發現高穩定的材料

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 15 日 18:45 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


從零下 269℃ 到 1,126℃ 都不會膨脹或收縮,科學家找到了可能是目前已知最穩定的新材料之一,由鈧、鋁、鎢和氧製成,這種零膨脹特性相當適合用於高精密機械儀器、航空航太零件和醫療植入物中。

這是化學和物理學的基本規則:當你加熱物質時,它會膨脹。物質會因受熱而導致元素之間原子鍵長度增加,有時還因原子旋轉而產生影響整體體積的結構,雖然有些例外(如水和冰),但很難找到熱膨脹係數為零的材料,過去已知僅某些陶瓷材料在溫度升高時幾乎不發生幾何特性變化。

在設計一架飛機或太空飛行器時,工程師都必須考慮材料是否承受得住起飛時的高溫與進入太空後的低溫,事實上很少有材料能承受極端溫度變化而不變形。

《New Atlas》報導舉例,能以 3 倍音速執行偵察任務的著名 SR-71 黑鳥式偵察機(SR-71 Blackbird),因高速飛行產生熱脹冷縮效應所以油箱不能密封,以免在飛行過程中過度膨脹而破裂,但油箱未密封就會一直伴有漏油問題,為此還得另外開發就算泄漏也不易點燃的高成本 JP-7 燃油。

然而澳洲新南威爾斯大學團隊發現的新材料就沒這問題了。該團隊在進行電池材料研究時,意外發現名為 Sc1.5 Al0.5 W3 O12 的材料分具有特殊熱穩定性,進一步觀察 Sc1.5 Al0.5 W3 O12 材料的鍵、氧原子位置、原子旋轉等,發現在零下 269℃ 到 1,126℃ 範圍內都只有微小變化,與迄今已證明的其他熱穩定材料相比,該材料能承受的溫度變化範圍更廣。

Sc1.5 Al0.5 W3 O12 為何擁有這種極端熱穩定性背後機制還不清楚,但研究人員認為,鍵的長度、角度及氧原子位置可能會相互協調以維持整體體積不變。

更令人雀躍的是新材料由鈧、鋁、鎢和氧組成,只有鈧是稀有昂貴的元素,研究人員已經在尋找更好的替代品,未來有機會大規模製造,並應用於高精密機械儀器、航空航太零件、醫療植入物等對溫度極度敏感的材料中。

新論文發表在《材料化學》(Chemistry of Materials)期刊。

(首圖來源:影片截圖)