Als de plastic mens, Elastigirl of Mr. Fantastic ooit Magneto tegenkomen, ze kunnen maar beter hopen dat de iconische X-Men-figuur het laatste onderzoek van Christian Binek niet heeft gelezen.

De natuurkundige van de Universiteit van Nebraska-Lincoln heeft ontdekt dat, onder bepaalde omstandigheden, de magnetische eigenschappen van een materiaal kunnen de relatie tussen zijn elasticiteit en temperatuur voorspellen.

Zijn bevinding kan de weg wijzen naar het beheersen van de elasticiteit van bepaalde materialen door hun magnetische eigenschappen te ontwerpen of er een magnetisch veld op aan te leggen. Gezien het gemak waarmee magnetische velden nu kunnen worden gemanipuleerd, Binek zei, dat zou uiteindelijk kunnen betekenen dat de elasticiteit wordt aangepast met een simpele druk op de knop of een draai aan een knop.

Ondertussen, wetende dat alleen magnetisme kan voorspellen hoe elasticiteit wel of niet zal reageren op temperatuurveranderingen, kan ingenieurs helpen om materialen voor specifieke doeleinden beter te selecteren of te ontwerpen.

Binek noemde het uiteenvallen van de Challenger-spaceshuttle in 1986 als een prominent voorbeeld van het belang van elasticiteit in technisch ontwerp. De verharding en het falen van een elastische O-ring op Challenger's raketaanjager - een gevolg van koude temperaturen - zorgde er uiteindelijk voor dat de shuttle uit elkaar brak, het doden van de zeven bemanningsleden.

"Dus je kunt materialen vinden die de elastische eigenschappen niet veranderen met de temperatuur, " zei Binek, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Misschien vind je materialen die naar believen veranderen met de temperatuur. En je kunt materialen vinden waar je kunt, bij een bepaalde temperatuur, verander de elastische eigenschappen door een externe controle."

Thermodynamisch duo

De wetten van de thermodynamica beschrijven de relaties tussen vele factoren - temperatuur, entropie, volume, druk - die van invloed zijn op hoe warmte wordt omgezet in andere vormen van energie. En het is al lang bekend dat deze wetten de eigenschappen van magnetisme en elasticiteit omvatten.

Maar door een nieuwe formule af te leiden uit bestaande, Binek slaagde erin aan te tonen dat de elasticiteit-temperatuurrelatie in principe is gecodeerd in het magnetisme van een materiaal.

De formule van Binek heeft wel beperkingen. Voor nu, het is alleen van toepassing als het magnetische gedrag van een materiaal lineair verandert met het magnetische veld dat erop wordt toegepast. Hetzelfde, de elasticiteit van het materiaal moet lineair zijn, wat betekent dat de hoeveelheid spanning die het vertoont constant in verhouding moet zijn met de hoeveelheid fysieke stress die erop wordt uitgeoefend.

Toch, de formule is van toepassing op materialen met verschillende vormen van magnetisme. Dat omvat de vorm die technisch in elk materiaal wordt aangetroffen:diamagnetisme, die een neiging beschrijft om magnetische velden zo zwak af te weren dat het onopgemerkt blijft zonder gespecialiseerde instrumenten.

Supergeleidende materialen - materialen die geen weerstand hebben tegen elektriciteit - vertonen een uitgesproken vorm van diamagnetisme onder een kritische temperatuur, op dat moment beginnen ze magnetische velden volledig af te stoten. Onder die temperatuurdrempel, Binek vond iets opmerkelijks:de elasticiteit van supergeleiders reageert niet meer op temperatuurveranderingen. Dat fenomeen hield stand toen hij berekeningen uitvoerde voor zowel keramische als monokristallijne supergeleiders, die substantieel verschillende microscopische oppervlakken en atomaire structuren hebben.

"Mijn (wiskundige) uitdrukking doet geen uitspraken over het materiaal, "Zei Binek. "Het is heel algemeen. Er staat alleen:als de gevoeligheid (voor magnetisme) constant is, dan moet de elastische eigenschap constant zijn. Als dat zo is, niets anders (over de supergeleider) zou ertoe moeten doen, wat eerlijk gezegd een beetje moeilijk te geloven is.

"Je vraagt ​​je af:hoe kan zoiets als een elastische eigenschap, die zeker afhangt van structurele details, onafhankelijk zijn van iets dat met de structuur te maken heeft? Maar dan ga je naar de (wetenschappelijke) literatuur, pas je formule toe, en dat vind je, Ja, het is goed."

De elastisch-magnetische formule is ook van toepassing op materialen waarvoor magnetische velden een zwakke aantrekking induceren die bekend staat als paramagnetisme. En ferromagnetische materialen - die sterk worden aangetrokken door magnetische velden en meestal synoniem zijn met de term "magnetisch" - gehoorzamen aan de formule van Binek boven een bepaalde temperatuurdrempel waardoor ze zich meer als hun paramagnetische neven en nichten gedragen.

Binek zei dat de formule zelfs zou kunnen werken voor ferro-elektrische materialen, waarvan de uitlijning van positieve en negatieve ladingen, of polarisatie, kan worden omgekeerd door een elektrisch veld. Ferro-elektriciteit vergemakkelijkt de opslag van elektrische energie, waardoor het nuttig is in apparaten variërend van condensatoren tot willekeurig toegankelijk geheugen.

"In plaats van de elastische eigenschappen af ​​te stemmen door een magnetisch veld, je kunt ze misschien afstemmen met elektrische velden, "zei hij. "Technologisch, dat zou nog interessanter kunnen zijn.

"Er zijn zeker veel toepassingen die je zou kunnen bedenken, en ik denk dat veel van hen nuttig kunnen zijn. Ik hoop dat dit niet het einde van het verhaal is, maar eerder het begin."