Сжимающийся при нагревании материал позволит создавать надежные элементы высокоточных приборов

Ученые из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Санкт-Петербург) с коллегами синтезировали кристаллические материалы на основе боратов железа и хрома, которые обладают низким отрицательным коэффициентом расширения. Такие соединения имеют структуру, которая, с одной стороны, обеспечивает надежность материала, а с другой — позволяет гибко настраивать его свойства (например, магнитные и устойчивость к высоким температурам).

Исходными веществами для синтеза служили оксиды железа, хрома и борная кислота. Комбинируя их в разных пропорциях, исследователи получили три образца, которые различались между собой соотношением железа и хрома: чистый борат железа, борат железа, содержащий 14% хрома и 86% железа; а также чистый борат хрома.

Исследователи оценили, как меняется структура новых материалов в диапазоне температур от 20°C до 900°C, а также измерили их магнитные свойства и определили температуры разложения. Оказалось, что при температурах до +30°C образец со смешанным составом обладает отрицательным объемным коэффициентом расширения, а при нагреве выше этих значений — низким коэффициентом расширения, то есть практически не меняется в размерах и объеме. Причина такого поведения кроется в магнитострикции — изменении размеров (в данном случае — сжатии) материала при изменении его магнитного состояния. Можно представить, что магнитная структура соединения сложена атомными «магнитиками» — крошечными собственными магнитными полями каждого атома, которые можно сравнить с миниатюрными стрелками компаса. Когда вещество нагревается, эти стрелки перестают быть выстроенными в едином порядке, из-за чего магнитная структура разрушается, а кристаллическая решетка материала может претерпевать линейные и объемные изменения, в том числе сжатие по направлениям или в объеме.