İster katı, ister sıvı ya da gaz olsun, neredeyse tüm malzemeler sıcaklıktaki değişikliklere tepki olarak genleşir ve büzülür. Bir sıcak hava balonunun yüzmesine neden olan termal genleşme olarak bilinen olgu, bir ev fırınını otomatik olarak açıp kapatan termostatların geliştirilmesinde kullanılmıştır. Demiryolları, köprüler ve binalar tasarlanırken bu özellik göz önünde bulundurulur ve sıcak bir günde burkulmadan veya kırılmadan büyümeleri için alan sağlanır.
Bir malzemenin atomları sıcaklık arttıkça daha fazla titreşir ve bu da termal genleşmeye neden olur. Atomlar daha fazla titreştikçe birbirlerinden uzaklaşırlar. Maddenin yoğunluğu azalır ve atomları arasındaki mesafe genişledikçe malzemenin genel boyutu büyür.
Birkaç istisna vardır, ancak çoğunlukla malzemeler bu kurala harfiyen uyar. Öte yandan, Invars (“değişmez” olarak düşünün) olarak bilinen ve geniş bir sıcaklık aralığında boyutlarını ve yoğunluklarını değiştirmeyi inatla reddeden bir grup metal alaşım vardır.
İnvar Malzemelerin Keşfi ve Davranış Özellikleri
Malzeme bilimi alanında doktora öğrencisi ve makalenin başyazarı Stefan Lohaus’a göre, “genleşmeyen metaller bulmak neredeyse duyulmamış bir şey.” Ancak 1895 yılında bir fizikçi tesadüfen, her ikisi de pozitif termal genleşmeye sahip olan demir ve nikeli belirli bir oranda birleştirerek son derece tuhaf davranışlara sahip bir madde elde etti.
Bu alaşımlar, tuhaf davranışları nedeniyle saat, teleskop ve diğer hassas alet parçalarının üretimi gibi aşırı hassasiyet gerektiren uygulamalarda değerlidir.
Yakın zamana kadar kimse İnvar’ların hareketlerinin nedenini bilmiyordu. Barbara ve Stanley R. Rawn, Jr. Malzeme Bilimi ve Uygulamalı Fizik Profesörü Brent Fultz’un laboratuvarından araştırmacılar, Nature Physics’te yayınlanan “İnvar etkisinin termodinamik açıklaması” başlıklı yeni bir makalede en az bir İnvar’ın kararlılığının anahtarını keşfettiklerini iddia ediyorlar.
Araştırmacılar 150 yılı aşkın bir süredir termodinamikte kilit bir fikir olan termal genleşme ve entropi arasındaki bağlantıyı anlamışlardır. Entropi, atomların konumları gibi bir sistemdeki düzensizliğin bir ölçümüdür. Bir sistemin entropisi sıcaklık arttıkça yükselir. Bu tüm İnvar’lar için geçerli olduğundan, bir İnvar’ın kendine özgü davranışı genişlemeyi kısıtlayan bir şeyle açıklanmalıdır.
Sadece ferromanyetik (manyetize olabilen) belirli alaşımların invar davranışı sergilemesi nedeniyle Lohaus, bu davranışın bir şekilde manyetizma ile bağlantılı olduğundan uzun zamandır şüphelenildiğini iddia ediyor.
Bunu araştırmayı seçtik çünkü Lohaus’a göre, “hem manyetizmayı hem de atomik titreşimleri ölçebilen gerçekten harika bir deney düzeneğimiz var.” Bu iş için ideal bir sistemdi.
Bir malzemenin beklendiği gibi genişlemesini engelleyen herhangi bir manyetik etki, elektronlarının aktivitesinden kaynaklanmalıdır çünkü bir malzemenin manyetik özellikleri, “yukarı” veya “aşağı” olabilen açısal momentumun kuantum ölçüsü olan elektronlarının spin durumu tarafından belirlenir.
Caltech araştırmacıları, entropi, termal genleşme ve basınç arasında bir bağlantı olan ve bazen bir ders kitabı merakı olarak sunulan “Maxwell ilişkilerini”, manyetizma ve atom titreşimlerinin neden olduğu termal genleşmeyi bağımsız olarak değerlendirmek için kullanmak üzere bir teknik keşfetti. Testler, Illinois’deki Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir senkrotron X-ışını kaynağı olan Gelişmiş Foton Kaynağı’ndaki bir elmas örs hücresi içindeki basınçlarda küçük invar örneklerinin titreşim spektrumlarının ve manyetizmasının analiz edilmesini içeriyordu.
Ölçümlere göre, manyetik ve atom titreşimlerinin neden olduğu termal genleşme hassas bir şekilde iptal edildi. Her ikisi de sıcaklık ve basınç değişikliklerine uğradı, ancak dengelerini koruyacak şekilde.
Bu projedeki çalışma arkadaşları, atom titreşimlerinin frekansının manyetizmadan etkilenmesi gibi titreşimler ve manyetizma arasındaki etkileşimlerin bu dengeyi korumaya nasıl hizmet ettiğini gösterdi. Titreşimler ve manyetizma arasındaki ilişkinin anlaşılması, manyetik soğutma malzemelerinin yanı sıra diğer manyetik malzemelerin termal genleşmesinin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
Aralarında malzeme örneklerinin kuvvetle ezilebildiği iki ince öğütülmüş elmas uçtan oluşan bir elmas örs hücresi, deney düzeneğinin ana bileşeni olarak görev yaptı. Bu örnekte, küçük bir invar alaşımı parçası 200.000 atmosfer basınçta sıkıştırılmıştır.
Alaşım, araştırmacılar tarafından kullanılan güçlü bir X-ışını ışınına maruz bırakıldı ve bu işlem sırasında X-ışınları atomların titreşimleriyle (fononlar) reaksiyona girdi. Bu temas nedeniyle, X-ışınlarının enerjisi değişti ve araştırmacıların atomların ne kadar titreştiğini ölçmelerini sağladı.
Ayrıca, numunenin atomlarına ait elektronların spin durumlarının neden olduğu girişim desenlerini tespit edebilen sensörler, elmas örs hücresinin her yerine yerleştirildi.
Bir İnvar numunesinin sıcaklığı yükseltildikçe, bilim insanları deney düzeneklerini numunenin atomik titreşimlerini ve elektronlarının spin durumunu izlemek için kullandılar. İnvar’ın elektronları birbirinden uzaklaştı ve daha düşük sıcaklıklarda ana atomlarını birbirinden itti çünkü İnvar’ın elektronlarının daha fazlası aynı spin durumuna sahipti.
İnvar’ın sıcaklığı arttıkça bu elektronlardan bazılarının spin durumları giderek daha fazla değişmeye başladı. Sonuç olarak, elektronlar yakınlarındaki benzerlerine daha rahat sarılıyorlardı. Normalde, ısındıkça bu durum İnvar’ın küçülmesine neden olurdu. Ancak, İnvar’ın atomları da daha fazla titreşiyor ve burada daha fazla yer kaplıyordu. Ne atomik titreşim genişlemesi ne de değişen spin durumlarının getirdiği daralma nedeniyle invar aynı boyutta kaldı.
“Lohaus şöyle diyor: “Bu heyecan verici çünkü bu, bilimde yüz yılı aşkın bir süredir bir sorun teşkil ediyor. Manyetizmanın büzülmeyi nasıl tetiklediğini göstermeye çalışan binlerce yayın var, ancak invar etkisi hiçbir zaman yeterince açıklanamadı.
Kaynak: phys.org/news/2023-07-alloys-dont-size.html
