Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben onlangs een nieuw materiaal gesynthetiseerd dat unieke thermische uitzettingseigenschappen vertoont. De door de wetenschappers gebruikte methode maakt de productie mogelijk van een uniek kristallijn oxide dat zirkonium bevat, zwavel, en fosfor, die twee verschillende mechanismen van negatieve thermische uitzetting vertoont. Dit is het eerste bekende materiaal dat deze eigenschap vertoont en de toepassing ervan kan schade aan composietmaterialen helpen voorkomen, zoals computerchipcomponenten, geconfronteerd met onverwachte temperatuurveranderingen.

De meeste materialen hebben de neiging om uit te zetten bij verhitting, als de atomen uit elkaar bewegen. De uitzetbaarheid van materialen onder warmte wordt gemeten met behulp van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). De meeste van de huidige industriële materialen hebben een positieve CTE, waardoor ze slecht presteren bij meer 'extreme' temperaturen. Echter, sommige materialen ervaren het tegenovergestelde effect, krimpen bij hogere temperaturen. Dit ongebruikelijke proces, bekend als negatieve thermische uitzetting, kan helpen bij het oplossen van het probleem van hitteschade aan composietmaterialen.

Een team van wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology onder leiding van Associate Prof. Toshihiro Isobe heeft onderzoek gedaan naar materialen met een negatieve CTE. Zoals Dr. Isobe uitlegt, "Negatief thermisch uitzettingsgedrag kan voornamelijk worden toegeschreven aan twee soorten mechanismen, faseovergang en raamwerkmechanisme." Beide mechanismen hebben industriële toepassing gevonden, aangezien beide voor- en nadelen hebben. Materialen van het faseovergangstype hebben grote negatieve CTE's maar smalle bruikbare temperatuurbereiken, die hun operationeel gebruik beperkt, vooral als vulstoffen in composietmaterialen. Materialen van het frametype, anderzijds, vertonen thermische krimp over een breed temperatuurbereik, maar omdat ze kleine absolute CTE-waarden hebben, ze zijn in grote hoeveelheden nodig om het gewenste resultaat te bereiken. Voor jaren, wetenschappers hebben gezocht naar een geschikt compromis tussen de twee, maar materialen die beide mechanismen van negatieve thermische uitzetting kunnen ondergaan, zijn nooit gerapporteerd, tot nu.

In hun nieuwe studie gepubliceerd in NPG Azië-materialen , Dr. Isobe en zijn team rapporteren een methode om een ​​nieuw kristallijn oxide van zirkonium te synthetiseren, zwavel, en fosfor, en beschrijf de kenmerken ervan. Dit kristal, de chemische formule waarvoor is Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ , wordt door Dr. Isobe beschreven als "een negatief CTE-materiaal dat bij verhitting zowel overgangs- als raamwerkmechanismen vertoont."

De wetenschappers ontdekten dat, terwijl Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ vertoont beide eerder genoemde mechanismen van negatief thermisch mechanisme, men kan dominant zijn bij een bepaalde temperatuur. Bijvoorbeeld, tussen 393K (ongeveer 120°C) en 453K (ongeveer 180°C), het materiaal kromp snel en sommige structurele eenheden werden vervormd, wat duidt op een faseovergang. Echter, boven en onder dit temperatuurbereik, de samentrekking was niet zo uitgesproken, en de onderzoekers observeerden in plaats daarvan kleine veranderingen in de lengte en hoek van bindingen tussen atomen, een kenmerk van een raamwerkmechanisme.

De onderzoekers merkten ook een interessant fenomeen op. Ze ontdekten dat de kristallen met minder zwavelatomen in het rooster gemakkelijker vervormden tijdens de faseovergang (120-180°C), resulterend in een grotere samentrekking van het materiaal (hogere negatieve CTE). Dit kan helpen bij het produceren van Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ kristallen met de gewenste CTE voor specifieke toepassingen.

Dit nieuwe kristallijne materiaal en het mechanisme van zijn productie zouden de weg kunnen banen voor de synthese van verbindingen met een soortgelijk dubbel mechanisme. Op deze manier, materiaalingenieurs zouden verbindingen met specifieke eigenschappen kunnen selecteren om de prestaties van vervaardigde materialen aan te passen aan specifieke operationele omstandigheden.