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熱すると縮む物質を見極める!「負の熱膨張」を示す物質を見つけるための新ルール

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本記事は、New Rules For Finding Materials That Exhibit Negative Thermal Expansion
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約1分39秒

・負の熱膨張を示す物質を決定するための体系的な一連のルールを研究者らがまとめた。
・ここで重要なのは、物質の弾性的性質と電子の挙動の2つである。

 

ほとんどの物質は、冷やすと縮み、熱を加えると膨張します。一般的には、単位温度変化あたりの体積または長さの分数変化で表されます。気体や液体の膨張を表すには体積膨張係数が用いられ、固形物では線膨張係数が採用されます。

 

例えば、コンクリートの構造物には熱膨張を示します。そのため、温度の上昇や下降によって伸縮するように、複数の接合部を入れて開発されています。

 

それでも、一部の物質は負の熱膨張(NTE:negative thermal expansion)と呼ばれる、熱を加えると収縮する性質を持っています。その代表格が「水」です。冷凍庫でガラス瓶にヒビが入るという体験のある人は、それを目の当たりにしているでしょう。

 

宇宙旅行からマイクロエレクトロニクスまで、様々な用途において、どの物質がNTEを示し、どの物質が示さないかを判断することは非常に重要です。ところが、どのような物質がなぜNTEを起こすのかを調べるのは非常に難しいのです。

 

世界中の科学者が長年この問題に取り組んでおり、NTE物質に関する一定のルールを確立しています。最近、コーネル大学の研究者たちは、これらのルールが正確ではなく、すべての物質に適用されるわけではないことを示しました。

 

この研究では、いくつかの理論と計算を駆使して、どの物質がNTEを示すかを正確に判断するための体系的な一連のルール(より正確なマップとも言える)を策定しました。

 

行ったことは?

研究チームが選んだのは、チタン酸鉛(PbTiO3)という黄色い無機粉末です。これは水に溶けません。チタン酸鉛は負の熱膨張を示し、約487℃で相転移【相が別の相へ変わること】を起こします。この時点から23℃までは体積NTEの状態です。

 

研究者たちは、既存の理論とコンピュータ・シミュレーションを用いてチタン酸鉛のNTEを調べ、多くの科学者が新しいNTE物質を見つけるために誤った仮定を用いていることを発見しました。

 

具体的には、第一原理理論【考えている範囲で最も基礎的な法則】とシミュレーションにより、NTEに必須とされる要素(負のGruneisenパラメータを持つ剛体ユニット フォノン モード)が十分でも必要でもないことを明らかにしました。

 

これにより、一般に無視されがちな物質の弾性特性と電子の挙動という2つの重要な特性を浮き彫りにしました。この研究の成果は、NTEの基本的な原因を明らかにするとともに、NTE物質の新しい設計指針を生み出すために利用することができます。

 

全体として、これらのユニークな洞察は、科学者が物質の熱的特性を理解し、新しい分類の物質でNTEを探索するのに役立つでしょう。

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