Подавляющее большинство материалов при нагревании расширяются. И это создает проблемы для высокоточных устройств (зеркал и линз мощных лазеров и т.д.). Даже незначительное изменение размеров деталей при повышении температуры на 10-20 градусов может приводить к микроразрушениям, ведущим к деградации функциональности.
Для решения этой проблемы необходимы материалы с низким или даже отрицательным коэффициентом теплового расширения. Но таких материалов очень мало, и многие из них не могут использоваться в технике из-за низкой термической устойчивости. Один из возможных путей – использование эффекта магнитострикции (взаимное влияние друг на друга изменения кристаллической структуры материала и его магнитных свойств): расширение материала при нагревании может компенсироваться сжатием, вызванным перестройкой магнитной структуры.
В частности, такими свойствами обладает борат железа (FeBO3), который активно используется в приборостроении, в том числе в синхротронных установках. Однако для этого кристалл необходимо нагревать до температуры около 77°C, что увеличивает энергозатраты (требуется система нагрева).
Коллектив кристаллографов из нескольких российских научных центров предпринял попытку частичного замещения в составе материала железа на хром (бораты хрома обладают аналогичными свойствами). В ходе исследований сопоставили три материала: FeBO3, CrBO3 и смешанный состав. Эксперименты показали: чем больше хрома содержит материал, тем ниже температура, при которой он теряет магнитный порядок. У чистого бората железа такая "перестройка" происходила примерно при 77°C, у смешанного — при 30°C, а у образца, который содержал только хром – при -262°C
Это открывает путь к созданию для высокоточных оптических, спинтронных и электронных устройств эффективных соединений с точно заданным коэффициентом расширения, – комментирует руководитель проекта Ярослав Бирюков, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (филиал НИЦ «Курчатовский институт — ПИЯФ»).
В том числе материалы можно настраивать для работы при сверхнизких температурах, что важно для космической техники и сверхчувствительных датчиков.
Как сообщил Я. Бирюков, в дальнейшем ученые планируют сосредоточиться на изучении родственных соединений и расширить выборку материалов.
Результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
В исследовании, поддержанном грантом РНФ, также приняли участие сотрудники Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, Казанского федерального университета, Сибирского федерального университета.