Исследователи из МГУ имени М. В. Ломоносова синтезировали новый материал на основе боратов железа и хрома. В отличие от подавляющего большинства известных веществ, он не расширяется при повышении температуры, а наоборот — сжимается. Это открытие может произвести революцию в высокоточном приборостроении, оптике и микроэлектронике, где даже микроскопические деформации из-за перепада температур способны вывести из строя дорогостоящее оборудование.
Большинство веществ, известных человечеству, при нагревании расширяются. Этот фундаментальный закон физики, знакомый каждому со школьной скамьи, лежит в основе множества инженерных проблем: мосты строят с зазорами, рельсы укладывают с компенсаторами, а высокоточные приборы вынуждены помещать в термостаты, чтобы малейшее колебание температуры не исказило результаты измерений. Однако теперь российские учёные предложили решение, способное перевернуть привычные представления о материалах.
Группа исследователей с кафедры неорганической химии химического факультета МГУ под руководством профессора Андрея Шевелькова синтезировала новый материал на основе боратов железа и хрома, который демонстрирует так называемое отрицательное тепловое расширение. Проще говоря, при повышении температуры это вещество не увеличивается в объёме, а, напротив, сжимается. Результаты исследования были опубликованы в престижном международном журнале Dalton Transactions Королевского химического общества Великобритании.
Феномен отрицательного теплового расширения известен науке и ранее: им обладают, например, вода в диапазоне от нуля до четырёх градусов Цельсия и некоторые редкие керамики. Однако практическое применение таких материалов долгое время оставалось под вопросом из-за сложности их синтеза, дороговизны компонентов или узкого диапазона рабочих температур, в котором эффект сохраняется. Российским химикам удалось преодолеть эти ограничения: новый материал на основе боратов железа-хрома сохраняет свои аномальные свойства в гораздо более широком температурном интервале, а его синтез относительно прост и масштабируем.
Применение такого материала может произвести революцию в целом ряде высокотехнологичных отраслей. В оптике, где линзы и зеркала телескопов и лазерных систем должны сохранять идеальную геометрию при любых погодных условиях, замена традиционных стёкол на композит с добавлением нового вещества позволит избежать искажений изображения. В микроэлектронике, где чипы нагреваются до десятков и сотен градусов при работе, а расстояния между элементами измеряются нанометрами, использование термостабильных материалов критически важно для предотвращения микротрещин и отказов процессоров. В прецизионных измерительных приборах и медицинском оборудовании даже микронное расширение детали способно привести к фатальной потере точности — и здесь новый материал становится незаменимым.
Кроме того, специалисты указывают на перспективы использования нового материала в аэрокосмической отрасли, где перепады температур между освещённой и теневой сторонами спутника достигают сотен градусов. Комбинация обычных материалов, расширяющихся при нагревании, с новым веществом, которое при тех же условиях сжимается, позволяет создавать композиты с нулевым суммарным коэффициентом теплового расширения. Такие конструкции не будут менять свои размеры ни при каких температурах.
Коллектив разработчиков продолжает исследования. Следующим этапом станет оптимизация состава материала для снижения его себестоимости и адаптация технологии синтеза под промышленные масштабы. По словам учёных, первые опытные партии нового материала могут быть доступны для тестирования в промышленных условиях уже через два-три года.
Её конек схемы в бизнесе, банковской и финансовой сфере.
