التمدد الحراري السلبي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

التمدد الحراري السالب ( NTE ) عملية فيزيائية كيميائية غير مألوفة، حيث تنكمش بعض المواد عند تسخينها، بدلاً من أن تتمدد كما تفعل معظم المواد الأخرى. وأشهر مثال على هذه الظاهرة هو الماء عند درجات حرارة تتراوح بين 0 و3.98  درجة مئوية. كما أن كثافة الماء الصلب (الجليد) أقل من كثافة الماء السائل عند الضغط القياسي. ويُعزى سبب طفو جليد الماء، بدلاً من غرقه، في الماء السائل إلى خاصية التمدد الحراري السالب. تتمتع المواد التي تخضع للتمدد الحراري السالب بمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية والضوئية والإلكترونية والإنشائية . فعلى سبيل المثال ، إذا تم مزج مادة ذات تمدد حراري سالب مع مادة "عادية" تتمدد عند التسخين، فمن الممكن استخدامها كمعوض للتمدد الحراري، مما قد يسمح بتكوين مركبات ذات تمدد حراري مُصمم خصيصاً أو حتى قريب من الصفر.

أصل التمدد الحراري السلبي

هناك عدد من العمليات الفيزيائية التي قد تسبب الانكماش مع ارتفاع درجة الحرارة، بما في ذلك أنماط الاهتزاز المستعرضة، وأنماط الوحدة الصلبة ، والتحولات الطورية .

في عام 2011، أظهر ليو وآخرون [ 1 ] أن ظاهرة التمدد الحراري السالب تنشأ من وجود تكوينات ذات ضغط عالٍ وحجم صغير وإنتروبيا أعلى، حيث تتواجد هذه التكوينات في مصفوفة الطور المستقر من خلال التقلبات الحرارية. وقد تمكنوا من التنبؤ بكل من التمدد الحراري الموجب الهائل (في السيريوم) والتمدد الحراري السالب الصفري واللانهائي (في الحديد).3 نقطة). [ 2 ] بدلاً من ذلك، قد ينتج عن تصميمالبنية المجهرية. [ 3 ]

التمدد الحراري السلبي في الأنظمة ذات التعبئة المتقاربة

يُلاحظ التمدد الحراري السالب عادةً في الأنظمة غير المتراصة ذات التفاعلات الاتجاهية (مثل الجليد ، والجرافين ، وما إلى ذلك) والمركبات المعقدة (مثل النحاس).2 O،ZrW2 O8 ، بيتا-كوارتز، بعض الزيوليتات، إلخ). ومع ذلك، فقد أظهرت ورقة بحثية [ 4 ] أن التمدد الحراري السالب (NTE) يتحقق أيضًا في الشبكات المتراصة أحادية المكون ذات تفاعلات القوة المركزية الثنائية. ويُقترح الشرط الكافي التالي للجهد الذي يؤدي إلى سلوك التمدد الحراري السالب للجهدبين الذرات،Π(x){\displaystyle \Pi (x)}، عند مسافة التوازنأ{\displaystyle a}: Π‴(أ)>0،{\displaystyle \Pi '''(a)>0,} أينΠ‴(أ){\displaystyle \Pi '''(a)}هو اختصار للمشتقة الثالثة للجهد بين الذرات عند نقطة التوازن : Π‴(أ)=د3Π(x)دx3|x=أ{\displaystyle \Pi '''(a)=\left.{\frac {d^{3}\Pi (x)}{dx^{3}}}\right|_{x=a}}

هذا الشرط (أ) ضروري وكافٍ في بُعد واحد، و(ب) كافٍ ولكنه ليس ضرورياً في بُعدين وثلاثة أبعاد. وقد تم اشتقاق شرط تقريبي ضروري وكافٍ في ورقة بحثية [ 5 ].Π‴(أ)أ>-(د-1)Π"(أ)،{\displaystyle \Pi '''(a)a>-(d-1)\Pi ''(a),} أيند{\displaystyle d}يمثل البعد المكاني. وبالتالي، في بُعدين وثلاثة أبعاد، يتحقق التمدد الحراري السالب في الأنظمة ذات التراص الذري المتقارب مع تفاعلات ثنائية حتى عندما تكون المشتقة الثالثة للجهد صفرًا أو حتى سالبة. تجدر الإشارة إلى أن الحالتين أحادية البعد ومتعددة الأبعاد تختلفان نوعيًا. في البُعد الواحد، ينتج التمدد الحراري عن عدم توافق الجهد بين الذرات فقط. لذلك، تُحدد إشارة معامل التمدد الحراري بإشارة المشتقة الثالثة للجهد. أما في الحالة متعددة الأبعاد، فتوجد أيضًا اللاخطية الهندسية، أي أن اهتزازات الشبكة البلورية غير خطية حتى في حالة الجهد التوافقي بين الذرات. تُساهم هذه اللاخطية في التمدد الحراري. لذلك، في الحالة متعددة الأبعاد،Π"{\displaystyle \Pi ''}وΠ‴{\displaystyle \Pi '''}تتواجد هذه الحالات في ظروف التمدد الحراري السلبي.

مواد

لعلّ من أكثر المواد التي دُرست والتي تُظهر تمددًا حراريًا سلبيًا هي تنجستات الزركونيوم ( ZrW).2 O٨ ). ينكمش هذا المركب باستمرار ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين ٠.٣ و ١٠٥٠ كلفن (عند درجات حرارة أعلى، يتحلل المركب). [ ٦ ] تشمل المواد الأخرى التي تُظهر سلوك التمدد الحراري السالب أعضاءً آخرين من مجموعة الموادالمضافة.2 Oعائلة المواد الثامنة (حيث A = ZrأوHf، و M =MoأوW) وHfV2 O7 وZrV2 O7 ، على الرغم منHfV2 O7 وZrV2 O7 فقط في طورها ذي درجة الحرارة العالية بدءًا من 350 إلى 400كلفن. [ 7 ] أ2 (موس)4 )يُعد الرقم 3 أيضًا مثالًا على التمدد الحراري السلبي القابل للتحكم.الموادالمكعبةZrW2 O8 وأيضًاHfV2 O7 وZrV2 O[ 7 ] تُعتبر هذه المواد ذات قيمة خاصة للتطبيقات الهندسية لأنها تُظهرسلبي متجانس،أي أن معامل التمدد الحراري السلبي يكون متساوياً فيالأبعاد، مما يُسهّل استخدامها كمعوضات للتمدد الحراري. [ 8 ]

يُظهر الجليد العادي تمددًا حراريًا سلبيًا في طوريه السداسي والمكعب عند درجات حرارة منخفضة جدًا (أقل من -200  درجة مئوية). [ 9 ] كما يُظهر الماء النقي، في حالته السائلة، تمددًا حراريًا سلبيًا عند درجات حرارة أقل من 3.984  درجة مئوية.

تُظهر سبيكة ALLVAR 30 ، وهي سبيكة أساسها التيتانيوم، تمددًا حراريًا سلبيًا ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة، بمعامل تمدد حراري فوري يبلغ -30 جزءًا في المليون/درجة مئوية عند 20  درجة مئوية. [ 10 ] يتميز التمدد الحراري السلبي لسبيكة ALLVAR 30 بأنه غير متجانس. تُستخدم هذه المادة المتوفرة تجاريًا في صناعات البصريات والفضاء والتبريد على شكل فواصل بصرية تمنع عدم وضوح الصورة الناتج عن الحرارة، ودعامات فائقة الثبات، وحلقات معدنية للوصلات الملولبة ذات الثبات الحراري. [ 11 ]

تُظهر ألياف الكربون تمددًا حراريًا سلبيًا بين 20 درجة مئوية و 500 درجة مئوية. [ 12 ] تُستخدم هذه الخاصية في تطبيقات الفضاء الجوي ذات التفاوتات الدقيقة لتخصيص معامل التمدد الحراري لمكونات البلاستيك المقوى بألياف الكربون لتطبيقات/ظروف محددة، وذلك عن طريق ضبط نسبة ألياف الكربون إلى البلاستيك وضبط اتجاه ألياف الكربون داخل الجزء.

الكوارتز ( SiO٢ ) كما تُظهر بعض الزيوليتات تمددًا حراريًا سالبًا ضمن نطاقات حرارية معينة. [ ١٣ ] [ ١٤ ] يتميز السيليكون النقي نسبيًا (Si) بمعامل تمدد حراري سالب لدرجات حرارة تتراوح بين ١٨ كلفن و١٢٠ كلفن تقريبًا. [ ١٥ ] يتمتع ثلاثي فلوريد السكانديوم المكعببهذه الخاصية، والتي تُفسر بالتذبذب الرباعي لأيونات الفلوريد. تتناسب الطاقة المخزنة في إجهاد انحناء أيون الفلوريد طرديًا مع القوة الرابعة لزاوية الإزاحة، على عكس معظم المواد الأخرى حيث تتناسب طرديًا مع مربع الإزاحة. ترتبط ذرة الفلور بذرتي سكانديوم، ومع ارتفاع درجة الحرارة، يتذبذب الفلور بشكل أكثر عمودية على روابطه. يؤدي هذا إلى تقارب ذرات السكانديوم في جميع أنحاء المادة، مما يتسبب في انكماشها. [ ١٦ ] ScFيُظهر المركب 3 هذه الخاصية من 10 إلى 1100 كلفن، ثم يُظهر فوقها التمدد الحراري الموجب الطبيعي. [ 17 ] تُعدّ سبائك الذاكرة الشكلية، مثل سبيكة النيكل والتيتانيوم، فئةً ناشئةً من المواد التي تُظهر تمددًا حراريًا صفريًا وسالبًا. [ 18 ] [ 19 ]

التطبيقات

إنّ تكوين مادة مركبة ذات تمدد حراري موجب (عادي) مع مادة ذات تمدد حراري سالب (شاذ) يُتيح ضبط التمدد الحراري لهذه المواد المركبة، أو حتى الحصول على مواد مركبة ذات تمدد حراري قريب من الصفر. وبذلك، يُعادل التمدد الحراري السالب والموجب بعضهما بعضًا إلى حدٍّ معين عند تغيير درجة الحرارة . ويمكن ضبط معامل التمدد الحراري الكلي (CTE) إلى قيمة محددة عن طريق تغيير النسب الحجمية للمواد المختلفة التي تُساهم في التمدد الحراري للمادة المركبة. [ 8 ] [ 20 ]

في مجال الهندسة تحديدًا، تبرز الحاجة إلى مواد ذات معامل تمدد حراري قريب من الصفر، أي ذات أداء ثابت ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة، كما هو الحال في تطبيقات الأجهزة الدقيقة. وفي الحياة اليومية أيضًا، تُعدّ المواد ذات معامل التمدد الحراري القريب من الصفر ضرورية. فعلى سبيل المثال، يجب أن تتحمل أسطح الطهي المصنوعة من السيراميك الزجاجي، مثل أسطح " سيران" ، تدرجات حرارية كبيرة وتغيرات سريعة في درجة الحرارة أثناء الطهي ، لأن أجزاءً معينة فقط من السطح تُسخّن بينما تبقى الأجزاء الأخرى قريبة من درجة حرارة الغرفة . وبشكل عام، قد تتسبب التدرجات الحرارية في الزجاج، نظرًا لهشاشته ، في حدوث تشققات. إلا أن السيراميك الزجاجي المستخدم في أسطح الطهي يتكون من أطوار متعددة، بعضها يُظهر تمددًا حراريًا موجبًا والبعض الآخر يُظهر تمددًا حراريًا سالبًا. ويعوض تمدد هذه الأطوار بعضها بعضًا، مما يقلل من تغير حجم السيراميك الزجاجي مع تغير درجة الحرارة، وبالتالي يمنع تشكل التشققات.

من الأمثلة اليومية التي توضح الحاجة إلى مواد ذات تمدد حراري مُخصّص حشوات الأسنان . فإذا كانت الحشوات تميل إلى التمدد بمقدار مختلف عن الأسنان ، مثلاً عند شرب مشروب ساخن أو بارد، فقد يُسبب ذلك ألمًا في الأسنان . أما إذا كانت حشوات الأسنان مصنوعة من مادة مركبة تحتوي على مزيج من مواد ذات تمدد حراري موجب وسالب، فيمكن حينها ضبط التمدد الكلي بدقة ليُطابق تمدد مينا الأسنان .

مراجع

  1. ↑ ليو، زي-كوي؛ وانغ، يي؛ شانغ، شون-لي (2011). "أصل ظاهرة التمدد الحراري السلبي في المواد الصلبة". سكريبت ماتيرياليا . 65 (8): 664-667 . doi : 10.1016/j.scriptamat.2011.07.001 .
  2. ↑ ليو، زي-كوي؛ وانغ، يي؛ شانغ، شونلي (2014). "شذوذ التمدد الحراري المنظم بالإنتروبيا" . التقارير العلمية . 4 : 7043. Bibcode : 2014NatSR...4.7043L . doi : 10.1038/srep07043 . PMC 4229665. PMID 25391631 .  
  3. ↑ كابراس، لويجي؛ برون، ميشيل؛ ميسيروني، دييغو (2019). "وسط ذو بنية دقيقة مع تمدد حراري سلبي متجانس كبير" . وقائع الجمعية الملكية أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 475 (2232): 7043. Bibcode : 2019RSPSA.47590468C . doi : 10.1098/rspa.2019.0468 . PMC 6936614. PMID 31892835 .  
  4. ↑ ريختسمان، إم سي؛ ستيلينجر، إف إتش؛ توركواتو، إس. (2007)، "التمدد الحراري السلبي في الأنظمة أحادية المكون ذات التفاعلات المتناحية"، مجلة الكيمياء الفيزيائية أ ، 111 (49): 12816-12821 ، arXiv : 0807.3559 ، Bibcode : 2007JPCA..11112816R ، doi : 10.1021/jp076859l ، PMID 17988108 ، S2CID 8612584  
  5. ↑ كوزكين، فيتالي أ. (2014)، "تعليق على 'التمدد الحراري السلبي في الأنظمة أحادية المكون ذات التفاعلات المتناحية'"«، مجلة الكيمياء الفيزيائية أ ، 118 (41): 9793-4 ، رمز Bibcode : 2014JPCA..118.9793K ، doi : 10.1021/jp509140n ، PMID 25245826 
  6. ↑ ماري، تي إيه؛ إيفانز، جيه إس أو؛ فوغت، تي؛ سليت، إيه دبليو (1996). "التمدد الحراري السلبي من 0.3 إلى 1050 كلفن في ZrW2 O٨. مجلةساينس.٢٧٢(٥٢٥٨):٩٠-٩٢.رمز Bibcode:١٩٩٦Sci...٢٧٢...٩٠M.doi:١٠.١١٢٦/science.٢٧٢.٥٢٥٨.٩٠.S2CID٥٤٥٩٩٧٣٩. 
  7. ↑ هيساشيغي، تيتسو؛ ياماغوتشي، تيبي؛ تسوجي، توشيهيدي؛ يامامورا، ياسوهيسا (2006). "التحول الطوري للمحاليل الصلبة Zr1-xHfxV2O7 ذات التمدد الحراري السالب" . مجلة الجمعية اليابانية للخزف . 114 (1331): 607-611 . doi : 10.2109/jcersj.114.607 . ISSN 0914-5400 . 
  8. 1 2 دوف، مارتن ت؛ فانغ، هونغ (2016-06-01). "التمدد الحراري السلبي والخواص الفيزيائية الشاذة المرتبطة به: مراجعة للأساس النظري لديناميكيات الشبكة". تقارير عن التقدم في الفيزياء . 79 (6) 066503. Bibcode : 2016RPPh...79f6503D . doi : 10.1088/0034-4885/79/6/ 066503 . ISSN 0034-4885 . PMID 27177210. S2CID 6304108 .   
  9. ↑ روتغر، ك.؛ إندريس، أ.؛ إهرينغر، ج.؛ دويل، س.؛ كوهس، و.ف. (1994). "ثوابت الشبكة والتمدد الحراري للهيدروجين2 OوD2 Oice Ih بين 10 و 265 كلفن".Acta Crystallographica Section B.50(6):644–648.Bibcode:1994AcCrB..50..644R.doi:10.1107/S0108768194004933.
  10. ↑ مونرو، جيمس أ. (10 يوليو 2018). "سبائك ALLVAR ذات التمدد الحراري السلبي للتلسكوبات". في نافارو، رامون؛ جيل، رولاند (محرران). التطورات في التقنيات البصرية والميكانيكية للتلسكوبات والأجهزة III . SPIE للتلسكوبات الفلكية والأجهزة، أوستن. ص 26. Bibcode : 2018SPIE10706E..0RM . doi : 10.1117/12.2314657 . ISBN  978-1-5106-1965-4. S2CID 140068490 . 
  11. ↑ "المنتجات والتطبيقات" . شركة ALLVAR Alloys . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-04-2022 .
  12. ↑ كودي، ي.؛ سودا، ي. (1997). "الإدارة الحرارية للمركبات الكربونية الكربونية بتقنية ترتيب الألياف المتدرجة وظيفيًا". في: شيوتا، إيشيرو؛ مياموتو، يوشيناري (محرران). المواد المتدرجة وظيفيًا 1996. دار نشر إلسيفير ساينس بي في، الصفحات 239-244 . doi : 10.1016/B978-044482548-3/50040-8 . ISBN  978-0-444-82548-3.
  13. ↑ لايتفوت، فيليب؛ وودكوك، ديفيد أ.؛ مابل، مارتن ج.؛ فيلايسكوسا، لويس أ.؛ رايت، بول أ. (2001). "الانتشار الواسع للتمدد الحراري السلبي في الزيوليت". مجلة كيمياء المواد . 11 : 212-216 . doi : 10.1039/b002950p .
  14. ↑ أتفيلد، مارتن ب. (1998). "التمدد الحراري السلبي القوي في الفوجاسيت السيليسي". الاتصالات الكيميائية (5): 601-602 . doi : 10.1039/A707141H .
  15. ↑ بوليس، دبليو. موراي (1990). "الفصل 6" . في: أومارا، ويليام سي.؛ هيرينغ، روبرت بي.؛ هانت، لي بي. (محررون). دليل تكنولوجيا أشباه الموصلات السيليكونية . بارك ريدج، نيو جيرسي: منشورات نويز. ص 431. ISBN  978-0-8155-1237-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .
  16. ↑ وو، ماركوس (7 نوفمبر 2011). "مادة تتقلص بشكل مذهل: مهندسون يكشفون كيف ينكمش ثلاثي فلوريد السكانديوم بفعل الحرارة" . فيزأورغ . تم الاطلاع عليه في 8 نوفمبر 2011 .
  17. ↑ غريف، بنجامين ك.؛ كينيث ل. مارتن؛ بيتر ل. لي؛ بيتر ج. تشوباس؛ كارينا و. تشابمان؛ أنغوس ب. ويلكنسون (19 أكتوبر 2010). "تمدد حراري سلبي ملحوظ من بنية بسيطة: ScF مكعب3. مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.132(44):15496-15498.doi:/ja106711v.PMID20958035. 
  18. ↑ روتغر، ك.؛ إندريس، أ.؛ إهرينغر، ج.؛ دويل، س.؛ كوهس، و.ف. (1994). "ثوابت الشبكة والتمدد الحراري لجليد H2O وD2O بين 10 و265 كلفن". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم ب . 50 (6): 644-648 . رمز Bibcode : 1994AcCrB..50..644R . doi : 10.1107/S0108768194004933 .
  19. ↑ أهادي، أ. ماتسوشيتا، Y.؛ سواجوتشي، T.؛ صن، قطر للبترول؛ تسوتشيا، ك. (2017). “أصل التمدد الحراري الصفري والسلبي في سبيكة Ni Ti فائقة المرونة شديدة التشوه”. اكتا ماديا . 124 : 79– 92. بيب كود : 2017AcMat.124...79A . دوى : 10.1016/j.actamat.2016.10.054 .
  20. ↑ تاكيناكا، كوشي (فبراير 2012). "مواد التمدد الحراري السلبي: مفتاح تكنولوجي للتحكم في التمدد الحراري" . مجلة علوم وتكنولوجيا المواد المتقدمة . 13 (1) 013001. Bibcode : 2012STAdM..13a3001T . doi : 10.1088/1468-6996/13/1/013001 . ISSN 1468-6996 . PMC 5090290. PMID 27877465 .   

للمزيد من القراءة

  • سانسون، أ. (2019). "حول التحول بين التمدد الحراري السالب والموجب في المواد الهيكلية" . رسائل بحوث المواد . 7 (10): 412-417 . doi : 10.1080/21663831.2019.1621957 . hdl : 11577/3309050 . S2CID 189965690 . 
  • لي، ج.؛ يوكوتشي، أ.؛ آموس، ت. ج.؛ سليت، أ. و. (2002). "تمدد حراري سلبي قوي على طول رابطة O−Cu−O في CuScO2". كيمياء المواد . 14 (6): 2602-2606 . doi : 10.1021/cm011633v .
  • نويليس، إل دي؛ بينغ، إتش-إتش؛ ستاركوفيتش، جيه؛ دان، بي. (2004). "التمدد الحراري وتكوين الطور لـ ZrW2 O8. الهلاميات الهوائية.كيمياء المواد.16(7):1252-1259.doi:10.1021/cm034791q.
  • جرزيتشنيك، أ؛ كريشتون، واشنطن؛ سياسن، ك.؛ أدلر، ب. مزوار، م. (2001). "شكل متعدد الأشكال جديد من ZrW2 O8. " تم تصنيعه تحت ضغوط ودرجات حرارة عالية".كيمياء المواد.13(11):4255-4259.doi:10.1021/cm011126d.
  • سانسون، أ. روكا، ف؛ دالبا، ج.؛ فورناسيني، P.؛ جريسنتي، ر. دابياجي، م.؛ أرتيولي، ج. (2006). "التمدد الحراري السلبي والديناميكيات المحلية في النحاس2 OوAg2 O".Physical Review B.73(21) 214305.Bibcode:2006PhRvB..73u4305S.doi:10.1103/PhysRevB.73.214305.hdl:11577/2434589.
  • بهانج، دي إس؛ راماسوامي، فيدا (2006). "التمدد الحراري السلبي في السيليكاليت-1 والزركونيوم سيليكاليت-1 ذي بنية MFI". نشرة بحوث المواد . 41 (7): 1392-1402 . CiteSeerX 10.1.1.561.4881 . doi : 10.1016/j.materresbull.2005.12.002 . S2CID 137406010 .  
  • ليو، ز.-ك.؛ وانغ، يي؛ شانغ، س.-ل. (2011). "أصل التمدد الحراري السالب في المواد الصلبة". سكريبت ماتيرياليا . 65 (8): 664-667 . doi : 10.1016/j.scriptamat.2011.07.001 .