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Sep 30, 2023

Warum dehnen sich manche Legierungen beim Erhitzen nicht aus?

Füllen Sie das Formular unten aus und wir senden Ihnen per E-Mail eine PDF-Version von „Warum dehnen sich einige Legierungen beim Erhitzen nicht aus?“ Füllen Sie das Formular unten aus, um den Zugriff auf ALLE Audioartikel freizuschalten. Eine neue Studie von Forschern

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Eine neue Studie von Forschern des California Institute of Technology (Caltech) hat den Grund aufgedeckt, warum sich einige Metalllegierungen bei Hitze nicht ausdehnen. Bei höheren Temperaturen können die intrinsischen magnetischen Eigenschaften der sogenannten Invar-Legierungen eine gerade ausreichende Kontraktion bewirken, um die erwartete Wärmeausdehnung aufzuheben. Die Forschungsergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Wärmeausdehnung entsteht, wenn ein Material Wärme aufnimmt, wodurch seine Atome stärker schwingen und sich von ihren Nachbarn entfernen. Dadurch wird das Material weniger dicht und nimmt leicht an Größe zu.

Diese Bewegungen im atomaren Maßstab klingen vielleicht nicht nach viel, aber sie summieren sich – der Eiffelturm kann sich an den heißeren Tagen in Paris um bis zu 15 Zentimeter ausdehnen.

Während dies ein lustiger Fakt über eine Touristenattraktion ist, kann die Wärmeausdehnung eine Katastrophe bedeuten, wenn Metall für hochpräzise Anwendungen benötigt wird. Niemand möchte, dass ein fein kalibriertes Teleskop oder eine Armbanduhr anschwillt und nicht mehr funktioniert.

„Es ist fast ungewöhnlich, Metalle zu finden, die sich nicht ausdehnen“, sagt Stefan Lohaus, Doktorand der Materialwissenschaften und Hauptautor der neuen Arbeit. „Aber 1895 entdeckte ein Physiker durch Zufall, dass man, wenn man Eisen und Nickel, die jeweils eine positive Wärmeausdehnung haben, in einem bestimmten Verhältnis kombiniert, dieses Material mit einem sehr ungewöhnlichen Verhalten erhält.“

Diese Nickel-Eisen-Legierung ist als Invar bekannt, ein Name, der sich vom Wort „unveränderlich“ ableitet und sich auf seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Veränderungen bezieht.

In der Vergangenheit haben Forscher vermutet, dass dieser ungewöhnliche Widerstand gegenüber Wärmeausdehnung etwas mit den magnetischen Eigenschaften des Metalls zu tun haben könnte, da nur Legierungen beobachtet wurden, die ferromagnetisch (magnetisierbar) sind und als Invare wirken.

„Wir haben uns entschieden, uns das anzuschauen, weil wir über diesen sehr schönen Versuchsaufbau verfügen, der sowohl Magnetismus als auch Atomschwingungen messen kann“, sagt Lohaus. „Dafür war es das perfekte System.“

Mit einem Synchrotron an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory führten die Forscher Messungen der Schwingungsspektren und des Magnetismus kleiner Proben von Invar durch.

Die Invar-Stücke wurden in einer Diamant-Ambosszelle unter Druck gehalten – ein Aufbau, bei dem zwei präzise geschliffene Diamantspitzen die Probe zusammendrücken und fest zusammendrücken. Hier wurde die Invar-Legierung bei einem Druck von 200.000 Atmosphären komprimiert, bevor starke Röntgenstrahlen auf die Legierung gestrahlt wurden, wo sie mit den Schwingungen der Atome der Probe interagieren. Durch die Messung von Änderungen in der von den Röntgenstrahlen getragenen Energiemenge können Wissenschaftler ableiten, wie stark die Atome in der Probe schwingen.

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Die Forscher platzierten außerdem Sensoren rund um die Diamantambosszellen, die in der Lage sind, Interferenzmuster zu erkennen, die durch den Spinzustand der Elektronen in der Probe entstehen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials durch den Spinzustand seiner Elektronen verursacht werden – den man sich als eine Art Quantenmaß für den Drehimpuls vorstellen kann, wobei man normalerweise von Spins spricht, die „oben“ oder „unten“ sind. In einem ferromagnetischen Metall richten sich diese Spins parallel zueinander aus und bilden magnetische „Domänen“ mit derselben Spinrichtung.

Mit diesem Aufbau untersuchten die Forscher den Spinzustand von Elektronen in einer Invar-Probe sowie deren Atomschwingungen, während sie die Temperatur der Probe erhöhten.

Bei kühlen Temperaturen teilten sich mehr Elektronen des Invars den gleichen Spinzustand, was dazu führte, dass sich die Elektronen weiter voneinander entfernten. Dadurch werden ihre Mutteratome weiter auseinandergedrückt, was eine thermische Ausdehnung ermöglicht.

Doch als die Temperaturen stiegen, drehte sich der Spinzustand der Elektronen zunehmend um. Gleichzeitig führte die thermische Energie dazu, dass die Atome stärker vibrierten und mehr Platz einnahmen. Diese beiden gegensätzlichen Kräfte – Kontraktion aufgrund sich ändernder Spinzustände und atomare Schwingungsausdehnung – hoben sich innerhalb der Invar-Legierung effektiv auf, was zu keiner Nettovergrößerung bei Wärmeeinwirkung führte.

„Das ist spannend, weil dies seit etwa hundert Jahren ein Problem in der Wissenschaft ist“, sagt Lohaus. „Es gibt buchstäblich Tausende von Veröffentlichungen, die versuchen zu zeigen, wie Magnetismus eine Kontraktion verursacht, aber es gab keine ganzheitliche Erklärung des Invar-Effekts.“

Referenz: Lohaus SH, Heine M, Guzman P, et al. Eine thermodynamische Erklärung des Invar-Effekts. Nat Phys. 2023. doi: 10.1038/s41567-023-02142-z

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung einer Pressemitteilung des California Institute of Technology. Das Material wurde hinsichtlich Länge und Inhalt bearbeitet.