일부 합금은 가열해도 팽창하지 않는 이유는 무엇입니까?

Aug 18, 2023

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캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구진의 새로운 연구에서는 일부 금속 합금이 뜨거워도 팽창하지 않는 이유를 밝혀냈습니다. 더 높은 온도에서는 소위 Invar 합금의 고유한 자기 특성으로 인해 예상되는 열 팽창을 상쇄할 만큼 충분한 수축이 발생할 수 있습니다. 연구 결과는 Nature Physics 저널에 게재되었습니다.

열팽창은 물질이 열을 흡수하여 원자가 더 강하게 진동하고 이웃 물질로부터 멀어질 때 발생합니다. 결과적으로 재료의 밀도가 낮아지고 크기가 약간 증가합니다.

이러한 원자 규모의 움직임은 별것 아닌 것처럼 들리지만 합산하면 파리의 더운 날에는 에펠탑이 최대 15cm까지 확장될 수 있습니다.

이는 관광 명소에 대한 재미있는 사실을 제공하지만 고정밀 응용 분야에 금속이 필요한 경우 열팽창은 재앙을 의미할 수 있습니다. 정교하게 보정된 망원경이나 손목시계가 부풀어올라 작동을 멈추는 것을 원하는 사람은 아무도 없습니다.

"팽창하지 않는 금속을 찾는 것은 거의 전례가 없습니다"라고 재료 과학 대학원생이자 새 논문의 주요 저자인 Stefan Lohaus는 말했습니다. "그러나 1895년에 한 물리학자는 각각 양의 열팽창을 갖는 철과 니켈을 특정 비율로 결합하면 매우 특이한 거동을 보이는 이 물질을 얻을 수 있다는 것을 우연히 발견했습니다."

이 니켈-철 합금은 인바(Invar)로 알려져 있는데, 이는 변화에 대한 저항성을 의미하는 불변(invariable)이라는 단어에서 유래한 이름입니다.

역사적으로 연구자들은 열팽창에 대한 이러한 비정상적인 저항이 금속의 자기 특성과 관련이 있을 수 있다고 의심해 왔습니다. 왜냐하면 강자성(자화할 수 있는) 합금만이 Invars로 작용하는 것으로 관찰되었기 때문입니다.

Lohaus는 "우리는 자기성과 원자 진동을 모두 측정할 수 있는 매우 깔끔한 실험 설정을 가지고 있기 때문에 이를 살펴보기로 결정했습니다."라고 말했습니다. "이것은 완벽한 시스템이었습니다."

아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 고급 광자 소스(Advanced Photon Source)에서 싱크로트론을 사용하여 연구원들은 Invar의 작은 샘플의 진동 스펙트럼과 자성을 측정했습니다.

Invar 조각은 다이아몬드 앤빌 셀(diamond anvil cell)에 압력을 가해 유지되었습니다. 이 셀에서는 정밀하게 연마된 두 개의 다이아몬드 팁이 샌드위치에 끼어 샘플을 단단히 압착하는 설정이었습니다. 여기서 Invar 합금은 200,000기압의 압력에서 압축된 후 강력한 X-선 빔이 합금에 발사되어 샘플 원자의 진동과 상호 작용합니다. 과학자들은 엑스레이에 의해 전달되는 에너지 양의 변화를 측정함으로써 샘플의 원자가 얼마나 많이 진동하는지 추론할 수 있습니다.

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연구진은 또한 샘플 내 전자의 스핀 상태에 의해 생성된 간섭 패턴을 감지할 수 있는 센서를 다이아몬드 모루 셀 주위에 배치했습니다. 강자성 물질의 자기 특성은 전자의 스핀 상태에 의해 발생하기 때문에 이는 매우 중요합니다. 이는 각운동량에 대한 일종의 양자 측정으로 생각할 수 있으며, 스핀은 일반적으로 "위" 또는 "아래"로 표현됩니다. 강자성 금속에서 이러한 스핀은 서로 평행하게 정렬되어 동일한 스핀 방향을 가진 자기 "영역"을 형성합니다.

이 설정을 통해 연구원들은 Invar 샘플에서 전자의 스핀 상태와 원자 진동을 조사하는 동시에 샘플의 온도를 높였습니다.

차가운 온도에서는 더 많은 인바 전자가 동일한 스핀 상태를 공유하여 전자가 더 멀리 이동하게 됩니다. 이로 인해 부모 원자가 더 멀리 떨어져 열팽창이 가능해집니다.