Мировой рекорд побит: новый материал на основе содалита устойчив от -262 °C до +620 °C
Группа российских и китайских учёных синтезировала и исследовала новый материал на основе минерала содалита — CASO (Cd4Al6O12SO4).
Материал может быть востребован в космической оптике, лазерных системах и энергетических установках.
Впервые в мире удалось добиться изотропного нулевого теплового расширения материала в чрезвычайно широком диапазоне температур от 11 K до 893 K (коэффициент термического расширения ~0.21×10-6 K-1). В работе предложена принципиально новая стратегия дизайна материалов с нулевым тепловым расширением (ZTE-материалов), которая позволяет преодолеть фундаментальное ограничение традиционных подходов, связанное с узким температурным окном работы (обычно ниже 400 K).
Материалы с нулевым тепловым расширением (Zero Thermal Expansion, ZTE) — это материалы, которые практически не меняют свои размеры при изменении температуры. Они крайне востребованы в высокоточных приложениях, где даже малейшие тепловые деформации могут привести к сбоям: от космической оптики и лазерных систем до наноэлектроники и энергетических установок. Их главная перспективная задача состоит в обеспечении беспрецедентной размерной стабильности, что позволяет создавать более компактные, надежные и точные устройства, работающие в экстремальных температурных условиях.
Учёные внесли изменения в структуру минерала, чтобы решить главное противоречие между стабильностью и гибкостью. Дело в том, что традиционные ZTE-материалы с открытыми каркасами (как у цеолитов) гибки и дают нужный эффект, но нестабильны при высоких температурах. Плотные закрытые каркасы (как у содалита), наоборот, стабильны, но гасят необходимые колебания атомов, отвечающие за нулевое расширение. Включение «гибких межузельных групп» с частично занятыми атомами (в CASO это фрагменты [SO4]/[CdO4]) в минерал содалит позволило объединить преимущества обоих типов структур: сохранить колебания, компенсирующие тепловое расширение, и одновременно обеспечить высокую термическую стабильность закрытого каркаса.
«Полученный материал CASO обладает уникальным набором "суперсвойств": у него сверхширокий температурный диапазон ZTE: от 11 до 893 K, что значительно превосходит все известные в мире изотропные ZTE-материалы. Он обладает буквально экстремальной термической стабильностью: сохраняет структуру при температурном режиме до 1100 K (для сравнения — температура поверхности Солнца 5780 K), выдерживает длительный нагрев (900 K, 150 ч) и термоциклирование (так называют процесс испытания металла многократными переходами между двумя заданными температурами). Кроме того, у него высокая оптическая прозрачность: от солнечно-слепого УФ-диапазона (275 нм) до ближнего ИК (3600 нм) и рекордная термооптическая стабильность: изменение ширины запрещенной зоны с температурой как минимум вдвое меньше, чем у любых известных оптических материалов. Ну и, конечно, отмечу хорошие механические свойства: по твёрдости он превосходит кварц», — рассказал старший научный сотрудник международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ, доцент базовой кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий СФУ Максим Молокеев.
Чтобы получить новый материал, учёные построили расчётную структурную модель CASO — она помогла понять микроскопический механизм возникновения нулевого теплового расширения, особенно при высоких температурах. Модель представляет собой эффективную элементарную ячейку, полученную усреднением атомных позиций из результатов классической молекулярной динамики (МД) для суперъячейки, содержащей 746,496 атомов. Расчёт динамики решетки был необходим для вычисления параметров, которые количественно связывают колебания атомов (фононы) с тепловым расширением материала.
«Практическое значение работы огромно. CASO — идеальный кандидат для создания ультрастабильных оптических устройств, работающих в экстремальных условиях: это и высокоточные лазерные системы, и оптические гребёнки частот, и астрономические приборы, а также спутниковые навигационные системы и передовые литографические установки. Уникальное сочетание свойств получившегося материала открывает путь к разработке приборов нового поколения, практически нечувствительных к температурным перепадам», — отметил Максим Молокеев.
Дальнейшие исследования для создания «идеального» материала, работающего практически в любых известных человеку условиях, могут быть направлены на расширение температурного диапазона в сторону ещё более высоких (выше 1100 K) или низких температур.
По словам авторов разработки, стоит также проводить поиск других химических составов в рамках предложенной стратегии, чтобы «настроить» свойства (например, оптическую прозрачность) под конкретные применения. Следует проводить более глубокое изучение долговременной стабильности и поведения материала в реальных условиях эксплуатации (например, под действием радиации или в агрессивных средах). Также будет вестись разработка технологий для практического применения — например, выращивания более крупных кристаллов или создания тонких плёнок и покрытий.
Источник: Сибирский федеральный университет