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            再“熱”也不能膨脹

            2021年09月09日
            你是否會好奇,冬季里被冰封的湖泊下面是如何維持水流的溫度平衡的呢?其實,這是水的負熱膨脹在起作用。
            當氣溫降低到0-4℃時,大家熟知的水會表現負熱膨脹現象。在此溫度范圍內,單位質量的水體積會隨著溫度降低反常增加,密度降低,此時溫度較低的水就會逐漸上浮,溫度較高的水則會下沉,這樣就實現了水流的溫度平衡。事實上,這種“非常規”的負熱膨脹現象還有很多,而且在日常生活中發揮著舉足輕重的作用。
            點點滴滴的負熱膨脹
            熱脹冷縮是大家熟知的自然現象。然而,有時候熱膨脹也會給我們的生活帶來很大困擾。就拿大家經常用來度量長度的鋼尺來說,在環境溫度升高時,尺子的熱脹冷縮往往使得測量值與真實值存在較大的誤差。雖然看似是很小的變化,但對一些精密的發動機齒輪箱和密封環就有著至關重要的影響。如何才能保證測量值的精確性呢?這時,我們就需要找來一種相反的“熱縮冷脹”的負熱膨脹來幫忙。
            在不同溫度下標準尺子的尺寸(以室溫為基準)
            科學家發現利用負熱膨脹作為補償劑可以與常規正熱膨脹復合,通過正、負熱膨脹材料在不同成分下混合,可以制備出實現具有特定熱膨脹行為的復合材料。這被廣泛應用在一些精密儀器中。
            比如智能手機等電子產品,它們的集成電路是以硅為主要材料的器件,在基底材料的選取上最重要的就是考慮選用與硅熱膨脹相匹配的金屬材料,否則在使用過程中,溫度過熱會導致集成電路和基底脫落,電子產品隨之失效;這些材料需要在溫度多變的環境里能夠維持原本的尺寸大小,不發生熱膨脹,這就是理想的零熱膨脹。而負熱膨脹就是實現這些材料熱膨脹的精準控制的前提,可以說,精密加工和控制工程離不開負熱膨脹。
            熱膨脹和熱收縮原理示意圖
            負熱膨脹如何產生
            那這種“非常規”的負熱膨脹材料究竟是如何產生的呢?其實,這主要是源于材料內部原子之間的相互作用力。
            一般來說,材料在受熱過程中,原子間的相互振動加劇,原子逐漸向遠離原本的平衡位置移動,從而使得體積逐漸增加,這就是“熱脹冷縮”的來源。
            產生負熱膨脹的主因有兩種。
            第一種是在一些磁性合金和電性陶瓷中,構成材料的結構基元的原子核外電子構型隨著溫度升高發生轉變,從而產生原子間化學鍵的轉變,造成體積收縮;
            第二種是由于結構基元的原子之間較強的相互作用,改變了原子間原本相對自由的相互振動模式,也就是結構基元間會發生有規律的耦合扭轉,使得原本受熱相互遠離的結構基元反而逐漸靠攏,從而出現負熱膨脹。
            未來可期的負熱膨脹
            目前,負熱膨脹已經廣泛應用在我們的生活中,現在我們嘗試用來治療齲齒的牙床材料和骨骼重生的人造骨骼都需要與人體本身的骨骼相匹配熱膨脹系數的材料,這有助于人造牙齒和骨骼在經受溫度變化時,依然能夠維持正常功能,不至于失效脫落。因此,開發對人體更加友好的負熱膨脹材料也是目前研究的方向之一。
            來源:知識就是力量公眾號
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