Сжимающийся при нагревании материал позволит создавать надежные элементы высокоточных приборов

Ученые создали материалы на основе боратов железа и хрома, которые при нагреве выше комнатной температуры не расширяются, как большинство веществ, а наоборот — сжимаются. Это редкое свойство позволяет избежать возникновения микротрещин в материалах при перепадах температур, благодаря чему новые соединения можно будет использовать для создания деталей в высокоточных оптических, электронных и спинтронных устройствах. Более того, меняя соотношение железа и хрома, исследователи смогли повысить термостойкость материала и настроить температуру, при которой он одновременно сохраняет магнитные свойства и сжимается. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Подавляющее большинство известных материалов при нагревании расширяются. Из-за этого детали устройств — зеркала и линзы мощных лазеров, магнитные датчики и чипы процессоров — хоть и незначительно, но изменяются в размерах при повышении температуры даже на 10–20°C. В результате могут возникать микротрещины и другие нежелательные эффекты, которые приводят к деградации и разрушению элементов и выходу аппаратуры из строя. Чтобы избежать этого, нужны материалы с очень низким или даже отрицательным коэффициентом теплового расширения — когда при повышении температуры образец не меняет своих размеров или немного сжимается. Такое равномерное сжатие не вызывает микротрещин, поскольку они возникают не из-за самого изменения размеров, а из-за разницы в тепловом расширении между соседними материалами в приборе. Однако таких материалов очень мало, и многие из них не подходят для использования в технике из-за плохой устойчивости к высоким температурам.

Ученые из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Санкт-Петербург) с коллегами синтезировали кристаллические материалы на основе боратов железа и хрома, которые обладают низким отрицательным коэффициентом расширения. Такие соединения имеют структуру, которая, с одной стороны, обеспечивает надежность материала, а с другой — позволяет гибко настраивать его свойства (например, магнитные и устойчивость к высоким температурам).

Исходными веществами для синтеза служили оксиды железа, хрома и борная кислота. Комбинируя их в разных пропорциях, исследователи получили три образца, которые различались между собой соотношением железа и хрома: чистый борат железа, борат железа, содержащий 14% хрома и 86% железа; а также чистый борат хрома.

Исследователи оценили, как меняется структура новых материалов в диапазоне температур от 20°C до 900°C, а также измерили их магнитные свойства и определили температуры разложения. Оказалось, что при температурах до +30°C образец со смешанным составом обладает отрицательным объемным коэффициентом расширения, а при нагреве выше этих значений — низким коэффициентом расширения, то есть практически не меняется в размерах и объеме. Причина такого поведения кроется в магнитострикции — изменении размеров (в данном случае — сжатии) материала при изменении его магнитного состояния. Можно представить, что магнитная структура соединения сложена атомными «магнитиками» — крошечными собственными магнитными полями каждого атома, которые можно сравнить с миниатюрными стрелками компаса. Когда вещество нагревается, эти стрелки перестают быть выстроенными в едином порядке, из-за чего магнитная структура разрушается, а кристаллическая решетка материала может претерпевать линейные и объемные изменения, в том числе сжатие по направлениям или в объеме.

Ученые также определили: чем больше хрома содержит материал, тем ниже температура, при которой он теряет магнитный порядок. У чистого соединения с железом и без хрома такая «перестройка» происходила примерно при 77°C, у смешанного — при 30°C, а у образца, который содержал только хром, — при –262°C. Это позволяет настраивать материал под нужные условия работы, вплоть до сверхнизких температур, что важно для космической техники и сверхчувствительных датчиков. Более того, образец, который содержал только хром, оказался более стойким к нагреву: он разлагался при температуре выше 900°C, тогда как чистый борат железа — при 630°C.

«Полученные результаты показывают, что частичное замещение железа на хром в таких соединениях позволяет гибко настраивать физические свойства материала. Это открывает путь к созданию эффективных соединений с точно заданным коэффициентом расширения для высокоточных оптических, спинтронных и электронных устройств. В дальнейшем мы планируем сосредоточиться на изучении родственных соединений и расширить выборку таких материалов. Учитывая реальную практическую значимость матрицы бората железа (например, это незаменимый элемент для применений в некоторых синхротронных технологиях), возможно, результаты исследований окажутся полезными или интересными для специалистов, занимающихся разработкой и созданием таких мегаустановок», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ярослав Бирюков, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (НИЦ Курчатовский институт — ПИЯФ).

В исследовании также принимали участие ученые из Казанского федерального университета (Казань), Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск), Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Сибирского федерального университета (Красноярск).