Een manier waarop hitte elektronische apparatuur beschadigt, is dat componenten met verschillende snelheden uitzetten, resulterend in krachten die microscheurtjes en vervorming veroorzaken. Kunststof componenten en printplaten zijn bijzonder gevoelig voor beschadiging door volumeveranderingen tijdens verwarmings- en koelcycli. Maar als een materiaal in de componenten zou kunnen worden verwerkt dat de uitzetting compenseert, de spanningen zouden worden verminderd en hun levensduur verlengd.

Iedereen kent wel een materiaal dat zich zo gedraagt:vloeibaar water zet uit als het bevriest en ijs krimpt samen als het smelt. Maar vloeibaar water en elektronica gaan niet goed samen - in plaats daarvan, wat nodig is, is een vaste stof met "negatieve thermische uitzetting" (NTE).

Hoewel dergelijke materialen al sinds de jaren zestig bekend zijn, er moesten een aantal uitdagingen worden overwonnen voordat het concept algemeen bruikbaar en commercieel levensvatbaar zou zijn. Zowel qua materiaal als functie, deze inspanningen hebben slechts beperkt succes gehad. De experimentele materialen waren onder gespecialiseerde laboratoriumomstandigheden met dure apparatuur geproduceerd; en zelfs dan, de temperatuur- en drukbereiken waarin ze NTE zouden vertonen, lagen ver buiten de normale dagelijkse omstandigheden. Bovendien, het bedrag dat ze uitzetten en inkrimpen, was afhankelijk van de richting, die interne spanningen veroorzaakten die hun structuur veranderden, wat betekent dat de NTE-eigenschap niet langer meegaat dan een paar verwarmings- en koelcycli.

Een onderzoeksteam onder leiding van Koshi Takenaka van de Universiteit van Nagoya is erin geslaagd deze uitdagingen op het gebied van materiaaltechnologie te overwinnen. Geïnspireerd door de serie werk van Noriaki Sato, ook van de Universiteit van Nagoya - wiens ontdekking vorig jaar van supergeleiding in quasikristallen werd beschouwd als een van de top tien natuurkundige ontdekkingen van het jaar door Natuurkunde Wereld tijdschrift - Professor Takenaka nam het zeldzame aarde-element samarium en zijn sulfide, samariummonosulfide (SmS), waarvan bekend is dat het de fase verandert van de "zwarte fase" naar de "gouden fase" met een kleiner volume. Het probleem was om het temperatuurbereik waarbij de faseovergang optreedt af te stemmen. De oplossing van het team was om een ​​klein deel van de samariumatomen te vervangen door een ander zeldzaam aardelement, sm geven _1-x R _x S, waarbij "R" een van de zeldzame aardelementen cerium (Ce) is, neodymium (Nd), praseodymium (Pr) of yttrium (Y). De fractie x die het team gebruikte was typisch 0,2, behalve yttrium. Deze materialen vertoonden een "gigantische negatieve thermische uitzetting" van maximaal 8% bij normale kamertemperatuur en een bruikbaar temperatuurbereik (ongeveer 150 graden), ook bij kamertemperatuur en hoger (Fig. 1). Cerium is hier de sterkandidaat omdat het relatief goedkoop is.

De aard van de faseovergang is zodanig dat de materialen kunnen worden verpoederd tot zeer kleine kristalgroottes rond een micron aan een kant zonder hun negatieve expansie-eigenschap te verliezen. Dit verbreedt de industriële toepassingen, vooral binnen de elektronica.

Hoewel de technische prestatie van de Nagoya University-groep indrukwekkend is, hoe de negatieve expansie werkt, is fascinerend vanuit een fundamenteel natuurkundig oogpunt. Tijdens de zwart-gouden overgang, de kristalstructuur blijft hetzelfde maar de atomen komen dichter bij elkaar:de eenheidscelgrootte wordt kleiner omdat (wat zeer waarschijnlijk maar misschien nog niet 100% zeker is) de elektronenstructuur van de samariumatomen verandert en ze kleiner maakt - een proces van intra -atomaire ladingsoverdracht die een "valentie-overgang" of "valentie-fluctuatie" wordt genoemd binnen de samarium-atomen (figuur 2). "Mijn indruk, " zegt professor Takenaka, "is dat de correlatie tussen het roostervolume en de elektronenstructuur van samarium experimenteel is geverifieerd voor deze klasse van sulfiden."

Specifieker, in de zwarte (lagere temperatuur) fase, de elektronenconfiguratie van de samariumatomen is (4f) ⁶ , wat betekent dat ze in hun buitenste schil 6 elektronen hebben in de f-orbitalen (met s, p en d orbitalen gevuld); terwijl in de gouden fase de elektronische configuratie (4f) is ⁵ (5d) ¹ - een elektron is uit een 4f-orbitaal naar een 5d-orbitaal gegaan. Hoewel een "hogere" schil bezet begint te raken, het blijkt - door een gril van het Pauli-uitsluitingsprincipe - dat het tweede geval een kleinere atoomgrootte geeft, wat leidt tot een kleinere kristalgrootte en negatieve expansie.

Maar dit is slechts een deel van het fundamentele beeld. In de zwarte fase, samariumsulfide en zijn gedoteerde uitlopers zijn isolatoren - ze geleiden geen elektriciteit; terwijl ze in de gouden fase veranderen in geleiders (d.w.z. metalen). Dit suggereert dat tijdens de zwart-gouden fase-overgang de bandstructuur van het hele kristal de volant-overgang binnen de samarium-atomen beïnvloedt. Hoewel niemand de theoretische berekeningen heeft gedaan voor de gedoteerde samariumsulfiden die zijn gemaakt door de groep van professor Takenaka, een eerdere theoretische studie heeft aangetoond dat wanneer elektronen de baan van de samariumatomen verlaten, ze laten een positief geladen "gat" achter dat zelf weerzinwekkend interageert met gaten in de geleidingsband van het kristal, hun uitwisselingsinteractie beïnvloeden. Dit wordt een coöperatief effect dat vervolgens de valentie-overgang in de samarium-atomen aandrijft. Het exacte mechanisme, Hoewel, wordt niet goed begrepen.

Hoe dan ook, de prestatie van de door de Nagoya University geleide groep is er een van engineering, geen pure natuurkunde. "Wat voor veel ingenieurs belangrijk is, is de mogelijkheid om het materiaal te gebruiken om apparaatstoringen als gevolg van thermische uitzetting te verminderen, " legt professor Takenaka uit. "Kortom, in een bepaald temperatuurbereik - het temperatuurbereik waarin het beoogde apparaat werkt, meestal een interval van tientallen graden of meer - het volume moet geleidelijk afnemen bij een stijging van de temperatuur en toenemen als de temperatuur daalt. Natuurlijk, Ik weet ook dat volume-uitbreiding bij afkoeling tijdens een faseovergang [zoals bevriezing van water] een veelvoorkomend geval is voor veel materialen. Echter, als het volume verandert in een zeer smal temperatuurbereik, er is geen technische waarde. De huidige prestatie is het resultaat van materiaaltechniek, geen pure natuurkunde."

Misschien luidt het zelfs een nieuw "gouden" tijdperk voor elektronica in.