2019年11月4
在美国能源部布鲁克海文国家实验室在美国，研究人员提出了最新的实验证明，并提出了一个预测理论，解释了一个古老的材料科学之谜——为什么特定的晶体材料在加热时会收缩。亚博网站下载亚博老虎机网登录
Igor Zaliznyak，Brookhaven实验室的物理学家炼狱物理和材料科学部门（右），带领一个科学家团队，包括实验室中心的Alexei Tkac亚博网站下载henk亚博老虎机网登录o，用于破译氟化钪在加热时缩生的机制。（图片信用：布鲁克海伦国家实验室）
最近报道亚博老虎机网登录科学推进在美国，研究人员的研究对于将材料的特性与电子、医学和其他领域的某些应用相匹配具有重大意义。亚博网站下载这项研究还可以更好地理解不寻常的超导体——一种已知的可以传输电流而不损失能量的材料。亚博网站下载
精确测量氟化钪中原子之间的距离（SCF3.）晶体提供了证据。SCF.3.是一种已知的材料，在高温下收缩异常(也称为“负热膨胀”)。研究人员发现了一种新的振动运动，这种振动运动使ScF的立方体表面呈固体晶体3.在加热时弯曲，从而把晶体的角拉得更近。
通常随着东西升温，它会扩大。当你加热一些东西时，原子振动的幅度增加，整体材料尺寸增加以适应更大的振动．
Igor Zaliznyak，项目领先和物理学家，Brookhaven国家实验室
然而，该协会不适用于特定的柔性材料，包括链状聚合物如橡胶和塑料。亚博网站下载当这些材料进行增加的热亚博网站下载量时，振动增加垂直到链条的长度(你可以想象吉他拨动琴弦时的横向振动)。这些横向振动将链条的两端拉得更近，导致整体收缩。
但是，SCF怎么样？3.？由于它是固体和立方晶体结构，它看起来一点也不像聚合物——至少初看上去是这样。还有一个普遍的假设，即存在于固体晶体中的原子需要保持它们的相对方向，而不管晶体的大小。这种假设使得物理学家很难解释这种材料在加热时是如何收缩的。
中子和专门的学生救援
在加州理工学院(Caltech)，一个研究小组在位于橡树岭国家实验室的能源部科学办公室用户设施——散裂中子源(SNS)上使用了一种技术来分析这个谜团。亚博老虎机网登录
关于晶体的原子尺度排列的有价值的数据可以通过测量中子束在晶体中的原子散射时如何获得。中子可以被描述为一种类亚颗粒。这种测量专门用于轻质材料（例如，氟），其对X射线不可见，添加Zaliznyak。亚博网站下载
当Zaliznyak了解这项工作时，他认为，埃米尔博齐尔，他的同事和不同中子散射分析方法的专家，可能会更好地了解该问题。
Bozin的技术称为“对分布函数”，阐明识别一对原子的前景除以材料中的特定距离。计算算法随后对概率进行排序以定位最佳拟合数据的结构模型。
博津和扎利兹尼亚克与加州理工学院的研究小组合作，在社交网络上收集数据。他们利用加州理工学院的ScF实现了这一目标3.来监测相邻原子之间的距离如何随着温度的升高而改变。
大多数数据分析由David Wendt，这是一名在高中二年级学年后在Zaliznyak的实验室开始在Zaliznyak的实验室中开始的Brookhaven Lab高中研究计划实习。Wendt是斯坦福大学的一位新生。
在他的高中时代，温特继续从事这个项目，并获得了论文第一作者的职位。
David基本上将数据简化为我们可以使用算法分析的形式，并对数据进行拟合，构建了一个模型来模拟氟原子的位置，并进行了统计分析，将我们的实验结果与模型进行了比较。他所做的工作就像一个优秀的博士后所做的那样!
Igor Zaliznyak，项目领先和物理学家，Brookhaven国家实验室
”我非常感谢Brookhaven Lab提供通过他们的高中研究计划促进原创研究的机会，“Wendt说。
结果:“软”运动在固体
测量结果表明，加热并没有真正改变氟和钪之间的键。”事实上，他们略微扩张，”扎利兹尼亚克说，这和为什么大多数固体会膨胀是一致的。“
然而，随着温度的升高，相邻氟原子之间的距离变化极大。
”我们正在寻找证据表明氟原子始终处于固定配置，正如始终被认为，我们发现相反！“增加了Zaliznyak。
对于这种意外数据的解释是至关重要的，由Alexei Tkachenko是Brookhaven Lab的功能纳米材料中心（另一个科学用户设施的另一个办公室）的软冷凝物理论专家。亚博网站下载亚博老虎机网登录
由于氟中的原子似乎没有限制在刚性位置，因此解释可能会借鉴相对较旧的理论。该理论最初由Albert Einstein设计，通过分别对每个单独的原子来阐明原子的运动。值得注意的是，最终的解释证明了SCF中的热诱导的收缩3.材料具有与柔软物质聚合物的行为相似的相似之处。
”由于每个钪原子都有刚性粘合，氟化钪的“链”形成结晶立方体的侧面（拐角钪的侧面）类似于聚合物的刚性部件，“解释了Zaliznyak。
然而，位于立方体的每一侧的中间的氟原子不受任何其他键的限制。因此，当温度升高时，“欠线”氟原子在垂直方向上自由地振荡到刚性SC-F键。横向热振荡，如那些拉动位于立方格晶格的角落的SC原子在一起，导致相对于在聚合物中看到的收缩。
用于应用的热匹配
这种新颖的洞察力将改善研究人员对战略性设计或预测预期温度变化的应用的热响应的潜力。例如，在精密加工中，使用的材料不应响应于冷却和加热而表现出主要变化，以在整个条件下保亚博网站下载持相同的精度。
亚博网站下载材料用于医学应用,如骨替代品或补牙材料,应该有热膨胀特性几乎是类似的生物结构中包含(可以想象这将是多么痛苦当填充膨胀,而牙齿感染时喝热咖啡)。
在纤维光学传输线和半导体中，绝缘材料的热膨胀应与功能材料的热膨胀相对应，从而可以阻碍信号传输。亚博网站下载
Zaliznyak还观察到，SCF中的欠束开放式框架设计3.材料存在于氧化铁和氧化铜基超导体中 - 其中晶格的振动被认为在这些材料携带电流的能力中发挥作用而没有任何阻力。亚博网站下载
”这些开放式结构中的原子的独立振荡可能会以我们现在可以计算和理解的方式促进这些材料的性质亚博网站下载Zaliznyak说道。”它们实际上可以解释我们自己的一些实验观察结果，这些观察结果在这些超导体中仍然是一个谜,”他补充道。
这项工作极大地受益于美国能源部国家实验室的重要优势——包括独特的能源部设施和我们拥有长时间跨度项目的能力，在这些项目中，重要贡献随着时间积累，最终形成发现。
Igor Zaliznyak，项目领先和物理学家，Brookhaven国家实验室
Zaliznyak继续，“它代表了共同院校中不同专业知识的独特交汇，包括专门的高中生实习生，我们能够为该项目协同整合。如果没有所有团队成员提供的专业知识，就无法成功开展这项研究。“
DOE科学办公室资助了Brookha亚博老虎机网登录ven Lab在这项研究中的角色。
来源：https://www.bnl.gov/