零下269℃到1,126℃都几乎不会膨胀收缩,新发现高稳定的材料

从零下269℃到1,126℃都不会膨胀或收缩,科学家找到了可能是目前已知最稳定的新材料之一,由钪、铝、钨和氧制成,这种零膨胀特性相当适合用于高精密机械仪器、航空航天零件和医疗植入物中。

这是化学和物理学的基本规则:当你加热物质时,它会膨胀。物质会因受热而导致元素之间原子键长度增加,有时还因原子旋转而产生影响整体体积的结构,虽然有些例外(如水和冰),但很难找到热膨胀系数为零的材料,过去已知仅某些陶瓷材料在温度升高时几乎不发生几何特性变化。

在设计一架飞机或太空飞行器时,工程师都必须考虑材料是否承受得住起飞时的高温与进入太空后的低温,事实上很少有材料能承受极端温度变化而不变形。

《New Atlas》报道举例,能以3倍音速执行侦察任务的著名SR-71黑鸟式侦察机(SR-71 Blackbird),因高速飞行产生热胀冷缩效应所以油箱不能密封,以免在飞行过程中过度膨胀而破裂,但油箱未密封就会一直伴有漏油问题,为此还得另外开发就算泄露也不易点燃的高成本JP-7燃油。

然而澳洲新南威尔斯大学团队发现的新材料就没这问题了。该团队在进行电池材料研究时,意外发现名为Sc1.5Al0.5W3O12的材料分具有特殊热稳定性,进一步观察Sc1.5Al0.5W3O12材料的键、氧原子位置、原子旋转等,发现在零下269℃到1,126℃范围内都只有微小变化,与迄今已证明的其他热稳定材料相比,该材料能承受的温度变化范围更广。

Sc1.5Al0.5W3O12为何拥有这种极端热稳定性背后机制还不清楚,但研究人员认为,键的长度、角度及氧原子位置可能会相互协调以维持整体体积不变。

更令人雀跃的是新材料由钪、铝、钨和氧组成,只有钪是稀有昂贵的元素,研究人员已经在寻找更好的替代品,未来有机会大规模制造,并应用于高精密机械仪器、航空航天零件、医疗植入物等对温度极度敏感的材料中。

新论文发布在《材料化学》(Chemistry of Materials)期刊。

(首图来源:视频截屏)