Quanteneffekt löst ungewöhnliche Materialausdehnung aus

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Quanteneffekt löst ungewöhnliche Materialausdehnung aus

Wissen Sie, wie man in einer Wasserflasche Platz lässt, bevor man sie in den Gefrierschrank stellt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt? Die meisten Metallteile in Flugzeugen haben das häufiger auftretende entgegengesetzte Problem. In großen Höhen (bei niedrigen Temperaturen) schrumpfen sie. Um zu verhindern, dass ein solcher Schrumpfungsprozess zu großen Katastrophen führt, stellen die Ingenieure Flugzeuge aus Verbundwerkstoffen oder Legierungen her und mischen Materialien mit entgegengesetzten Ausdehnungseigenschaften, um sich gegenseitig auszugleichen.

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Neue Forschungsarbeiten, die zum Teil am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums durchgeführt wurden, könnten eine ganz neue Klasse chemischer Elemente in diesen materialwissenschaftlichen Balanceakt einbringen.

Wie in einem soeben in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel beschrieben, nutzten Wissenschaftler Röntgenstrahlen an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) in Brookhaven – einer Nutzereinrichtung des U.S. Department of Energy Office of Science – und zwei weitere Synchrotronlichtquellen, um ein ungewöhnliches Metall zu erforschen, das sich bei niedriger Temperatur dramatisch ausdehnt. Die Experimente mit Samarium-Sulfid, das mit einigen Verunreinigungen dotiert ist, ergaben Details über die Struktur des Materials auf atomarer Ebene und die auf Elektronen basierenden Ursprünge seiner “negativen thermischen Ausdehnung”.

Diese Arbeit eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Materialien, bei denen der Grad der Ausdehnung durch eine Anpassung der chemischen Rezeptur genau abgestimmt werden kann. Sie schlägt auch einige verwandte Materialien vor, die für Anwendungen in der Metallmischung untersucht werden könnten.

“In praktischen Anwendungen, sei es ein Flugzeug oder ein elektronisches Gerät, möchte man Legierungen aus Materialien mit diesen entgegengesetzten Eigenschaften herstellen – Dinge, die sich auf der einen Seite ausdehnen und auf der anderen Seite schrumpfen, wenn sie abkühlen, so dass es insgesamt gleich bleibt”, erklärte Daniel Mazzone, der Hauptautor des Papiers und Postdoc-Stipendiat an der NSLS-II und der Abteilung für Physik und Materialwissenschaft der kondensierten Materie des Brookhaven Labors.

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