Отрицательное тепловое расширение (NTE) вещества со слоистой структурой с целью лучшего управления двумерными материалами или композитами с NTE изучили исследователи из Китая и России, 22 июня сообщает пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ).

Результаты исследования группа ученых представила в статье «Двумерное отрицательное тепловое расширение в кристалле LiBO₂», опубликованной в журнале Американского химического общества.

В статье авторы указывают, что отрицательное тепловое расширение, нарушающее здравый смысл эффектов «теплового расширения и холодного сжатия», представляет собой новое поведение в зависимости от температуры, имеющее большое научное и техническое значение.

Обычно вещества при нагревании расширяются за счет того, что атомы твердых тел начинают с большей амплитудой колебаться в кристаллической решетке и занимают больший объем. Аналогично ведут себя многие жидкости и газы. Однако существуют вещества, имеющие отрицательный коэффициент теплового расширения, например, обычный лед.

Соавтор статьи, доцент базовой кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Молокеев сообщил:

«В этом исследовании мы наблюдали двухмерное (2D) NTE-поведение в кристалле метабората лития (LiBO2), 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».

Метаборат лития LiBO₂ — известное неорганическое соединение, соль лития и метаборной кислоты. Оно представляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и образующие кристаллогидраты.

Доступность исходных материалов и легкость синтеза делают эти кристаллы интересными объектами для изучения двумерного NTE. Кроме того, исследователи считают перспективным применение LiBO₂ в оптике.

Материалы с отрицательным тепловым расширением имеют очень широкий спектр применения в технике, электронике, строительстве, медицине и фотонике, отмечают ученые.

«Посредством смешивания LiBO₂ с материалом, обладающим обычным тепловым расширением, можно получить различные композитные материалы с нулевым расширением, чтобы стабилизировать эффект «температурных качелей“» — пояснил Максим Молокеев.

Он привел в пример стоматологические пломбы, которые расширяются с разной скоростью с зубной эмалью, когда человек пьет горячий чай. При применении для пломб композитов с нулевым расширением была бы решена проблема болей, возникающих от горячих напитков.

Материалы с хорошо контролируемым тепловым расширением нужны и в оптике. Так, теплопроводность материалов имеет большое значение для сохранения теплового баланса в лазерной оптике и для оптических линз и подложек, отметил ученый.

В результате исследования ученые обнаружили интересный факт — в кристалле метабората лития решающую роль в поведении 2D-NTE играет примерно одинаковое растяжение Li-O как в плоскости слоя, так и вне плоскости.

Это явление заставляет пересмотреть сложившееся мнение о том, что межслоевое взаимодействие должно быть значительно слабее внутрислоевого, и это значительно расширяет область исследования материалов NTE.

Исследованиями была установлена высокая оптическая пропускающая способность кристалла LiBO₂ в диапазоне 190–5790 нм при комнатной температуре и его широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетового до инфракрасного излучения).

Выполненные учеными расчеты показали, что широкий диапазон оптического пропускания сохранится и при изменении температуры, что очень важно для оптических материалов.

Эти преимущества 2D-NTE в сочетании с превосходными оптическими свойствами позволят LiBO₂ найти широкое применение в сверхточных оптических устройствах, работающих при низких температурах, заявляют исследователи.