走进科学
为什么有些合金在加热后不会膨胀
因瓦合金样品
几乎所有材料，无论是固体、液体还是气体，当温度上升时都会膨胀，当温度下降时都会收缩。这种称为热膨胀的特性使热气球能够漂浮，这一现象也被利用来制造可以自动打开和关闭家用炉子的温控器。铁路、桥梁和建筑在设计时都考虑到了这种特性，在炎热的日子它们也有膨胀的空间而不会弯曲或断裂。
当材料的温度升高时，其原子的振动会更剧烈。原子振动越剧烈，它们就会更用力地把相邻的原子推开。随着原子之间的间隙增加，材料的密度降低，整体体积增大。
虽然有少数例外，但总的来说，材料严格遵循这一原则。然而，有一类称为因瓦合金(invar alloy)的金属合金，它们顽固地拒绝在大范围温度变化中改变体积和密度。
该论文的主要作者、材料科学研究生Stefan Lohaus说：“很少听说有金属不膨胀，但在1895年，一位物理学家意外发现，如果以某种比例组合本身有正热膨胀的铁和镍，就可以得到这种非同寻常的材料。”
这种异常行为使得这些合金在需要极高精度的应用中非常有用，比如制造时钟、望远镜和其他精密仪器的零件。直到现在，没有人知道因瓦为什么会表现出这种行为。在一篇名为“因瓦效应的热力学解释”的新论文中，发表在《自然物理学》上，来自Brent Fultz实验室的研究人员称，他们已经找到了至少一个因瓦稳定性的秘密。
150多年来，科学家一直知道热膨胀与熵有关，熵是热力学中的一个核心概念。它是系统中无序程度(如原子位置)的量度。随着温度的升高，系统的熵也会增加。这是普遍真理，所以因瓦合金的异常行为必须通过某种相抗的东西来解释。
因瓦在不同压强下的声子 DOS。 将通过 NRIXS测量的实验57 Fe部分 DOS曲线(黑色曲线)与计算的 DOS (橙色曲线)进行比较，并且将两者归一化为1。 误差条示出了连续 NRIXS扫描的标准偏差(平均而言，对于每个非弹性谱总共记录了39,480个计数)。 在环境条件下， NRIXS测量与通过 INS (蓝色标记)测量的 DOS具有极好的一致性。
Lohaus说，长期以来怀疑这种行为与磁性有关，因为只有某些能被磁化的铁磁合金才表现出因瓦合金的性质。“我们决定研究这一点，因为我们有一个非常好的实验设置，可以同时测量磁性和原子振动，”洛豪斯说，“这是一个完美的系统。”
由于材料的磁性是其电子所谓的自旋状态的结果——一种量子角动量的量，可以是“向上”或“向下”，任何抵抗材料预期膨胀的磁性效应必须归因于其电子的活动。
熵、热膨胀和压强之间的关系，也称为“麦克斯韦关系”，通常被作为教科书上的小问题呈现，但加州理工学院的研究小组找到了一种方法，利用它独立地测量由磁性和原子振动引起的热膨胀。他们在伊利诺伊州阿贡国家实验室的高能同步辐射X射线光源进行了实验，通过在钻石压栓单元内测量因瓦合金小样品的振动谱和磁性来完成这些实验。
测量结果显示，原子振动和磁性引起的热膨胀之间存在微妙的抵消。两者都会随着温度和压力的变化而变化，但以一种保持平衡的方式。借助一种新开发的精确理论方法，研究人员展示了振动和磁性之间的相互作用，例如振动频率如何受到磁性的影响，有助于帮助理解其他磁性材料的热膨胀，以及开发用于磁性制冷的材料。
实验设置由一个钻石压栓单元组成，本质上是两个经过精密磨制的钻石尖端，样品材料可以被夹紧在两尖端之间。在这种情况下，一小块因瓦合金合金被挤压在20万个大气压下。研究人员让强力X射线穿过合金，在这个过程中，X射线与其原子的振动(声子)发生作用。这种作用改变了X射线携带的能量量，使研究人员能够测量原子的振动情况。
他们还在钻石压栓单元周围放置了传感器，可以检测样品原子电子的自旋状态形成的干涉图样。
团队使用实验设置观察了因瓦合金样品的原子振动和电子自旋状态，同时提高了样品的温度。在较低的温度下，更多的因瓦合金电子共享相同的自旋状态，导致它们相互远离并推开各自的父原子。随着因瓦合金的温度升高，一些电子的自旋状态越来越多地发生了翻转。因此，这些电子越来越倾向于挤在一起。通常，这会导致因瓦合金在升温时收缩。但在这里，因瓦合金的原子也在振动更剧烈并占据更多空间。自旋状态的收缩和原子振动的膨胀相互抵消，因瓦合金保持了同样的体积。
Lohaus说：“这令人兴奋，因为这在科学界已经是一个百年难题，字面意义上有成千上万的出版物试图展示磁性如何导致收缩，但没有对音波效应进行整体的解释。”