Some alloys don’t change size when heated – recent work on why

Nearly every material, whether it is solid, liquid, or gas, expands when its temperature goes up and contracts when its temperature goes down. This property, called thermal expansion, makes a hot air balloon float, and the phenomenon has been harnessed to create thermostats that automatically turn a home furnace on and off. Railroads, bridges, and buildings are designed with this property in mind, and they are given room to expand without buckling or breaking on a hot day.

Thermal expansion occurs because a material’s atoms vibrate more as its temperature increases. The more its atoms vibrate, the more they push away from their neighboring atoms. As the space between the atoms increases, the density of the material decreases and its overall size increases.

There are a few exceptions, but by and large, materials conform strictly to this principle. There is, however, a class of metal alloys called Invars (think invariable), that stubbornly refuse to change in size and density over a large range of temperatures.

Silvery metal blocks rest on a white surface.

Samples of invar alloy

“It’s almost unheard of to find metals that don’t expand,” says Stefan Lohaus, a graduate student in materials science and lead author of the new paper. “But in 1895, a physicist discovered by accident that if you combine iron and nickel, each of which has positive thermal expansion, in a certain proportion, you get this material with very unusual behavior.”

That anomalous behavior makes these alloys useful in applications where extreme precision is required, such as in the manufacture of parts for clocks, telescopes, and other fine instruments. Until now, no one knew why Invars behave this way. In a new paper published in Nature Physics, researchers from the lab of Brent Fultz, the Barbara and Stanley R. Rawn, Jr., Professor of Materials Science and Applied Physics, say they have figured out the secret to at least one Invar’s steadiness.

A photo of Brent Fultz. He has a beard, mustache, and glasses.

Brent Fultz

For over 150 years, scientists have known that thermal expansion is related to entropy, a central concept in thermodynamics. Entropy is a measure of the disorder, such as positions of atoms, in a system. As temperature increases, so does the entropy of a system. This is universally true, so an Invar’s unusual behavior must be explained through something counteracting that expansion.

Lohaus says it had been long suspected that this behavior was somehow related to magnetism because only certain alloys that are ferromagnetic (capable of being magnetized) behave as invars.

A photo of Stefan Lohaus. In the background is laboratory equipment.

Stefan Lohaus

“We decided to look at that because we have this very neat experimental setup that can measure both magnetism and atomic vibrations,” Lohaus says. “It was a perfect system for this.”

Since the magnetic properties of a material are the result of its electrons’ so-called spin state— a quantum measure of angular momentum that can be either “up” or “down”—any magnetic effect counteracting the material’s expected expansion must be due to the activity of its electrons.

The relationship between entropy, thermal expansion, and pressure, known as the “Maxwell relations” is often presented as a textbook curiosity, but the Caltech group found a way to use it to independently measure the thermal expansion caused by magnetism and by atom vibrations. The experiments were done at the Advanced Photon Source, a source of synchrotron X-rays at the Argonne National Laboratory in Illinois, by measuring the vibrational spectra and magnetism of small samples of Invar at pressures within a diamond anvil cell.

The measurements showed a delicate cancellation of the thermal expansion from atom vibrations and from magnetism. Both changed with temperature and pressure, but in a way that maintained their balance. Using a newly developed accurate theoretical approach, collaborators on this work showed how this balance was helped by interactions between vibrations and magnetism, such as where the frequencies of atom vibrations are altered by magnetism. Such coupling between vibrations and magnetism could be useful for understanding thermal expansion in other magnetic materials, as well for developing materials for magnetic refrigeration.

The experimental setup consisted of a diamond anvil cell, which is essentially two precisely ground diamond tips between which samples of materials can be tightly squeezed. In this case, a small piece of Invar alloy was squeezed at a pressure of 200,000 atmospheres. The researchers passed a powerful beam of X-rays through the alloy, and during that process the X-rays interacted with the vibrations (phonons) of its atoms. That interaction changed the amount of energy carried by the X-rays, allowing the researchers to measure how much the atoms were vibrating.

They also placed sensors around the diamond anvil cell that can detect interference patterns created by the spin state of the electrons belonging to the sample’s atoms.

The team used their experimental setup to observe both the atomic vibrations of an Invar sample and the spin state of its electrons as they increased the sample’s temperature. At cooler temperatures, more of the Invar’s electrons shared the same spin state, causing them to move farther apart and push their parent atoms farther apart as well.

As the temperature of the Invar rose, the spin state of some of those electrons increasingly flipped. As a result, the electrons became more comfortable cozying up to their neighboring electrons. Typically, this would cause the Invar to contract as it warmed up. But here, the Invar’s atoms were also vibrating more and taking up more room. The contraction due to changing spin states and the atomic vibration expansion counteracted each other, and the Invar stayed the same size.

“This is exciting because this has been a problem in science for over a hundred years or so,” Lohaus says. “There are literally thousands of publications trying to show how magnetism causes contraction, but there was no holistic explanation of the Invar effect.”

The paper describing the research, “Thermodynamic explanation of the Invar effect,” appears in the July 27 issue of Nature Physics. Co-authors are graduate students in materials science Pedro Guzman and Camille M. Bernal-Choban, visitor in applied physics and materials science Claire N. Saunders, Guoyin Shen of the Argonne National Laboratory, Olle Hellman of the Weizmann Institute of Science, David Broido and Matthew Heine of Boston College, and Fultz.

Funding for the research was provided by the National Science Foundation and the U.S. Department of Energy.

Note: This article have been indexed to our site. We do not claim legitimacy, ownership or copyright of any of the content above. To see the article at original source Click Here

Related Posts
Xiaomi 13 Appears on Geekbench Ahead of February 26 Launch thumbnail

Xiaomi 13 Appears on Geekbench Ahead of February 26 Launch

        | Updated: Tuesday, February 21, 2023, 18:11 [IST] Xiaomi is preparing to launch the Xiaomi 13 series in global markets on February 26, 2023, months after its debut in China. Ahead of its launch, the smartphone has been spotted on Geekbench, confirming key details about the Xiaomi 13.The Xiaomi 13 series
Read More
Samsung Galaxy S22 thumbnail

Samsung Galaxy S22

Inom de kommande dagarna kommer Samsung hålla ett event där S22- serien kommer visas upp. Nu ser det ut som att S22- serien åkt fast på en ny bild. Vi ser att S22 och S22+ kommer bli mer lika än olika varandra och det enda. förutom storleken då, är att modellerna troligen kommer i några…
Read More
3 cool features of the Samsung Galaxy Buds2 Immerse yourself in studio-quality sound.  Step into a world of self-made entertainment thumbnail

3 cool features of the Samsung Galaxy Buds2 Immerse yourself in studio-quality sound. Step into a world of self-made entertainment

เชื่อว่านอกจากสมาร์ทโฟนที่พกติดตัวไปด้วยทุกที่แล้ว อีกหนึ่งดีไวซ์ที่หลายคนต้องใช้คู่กันแบบขาดไม่ได้เลยก็คือหูฟัง เพราะเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถดึงตัวเองออกจากสิ่งรอบข้างมาโฟกัสกับกิจกรรมที่กำลังจดจ่ออยู่ได้อย่างเต็มที่ ไม่ว่าจะเป็น การดูหนัง ฟังเพลง คุยโทรศัพท์ วิดีโอคอล หรือแม้กระทั่งการประชุมออนไลน์ ดังนั้นเวลาที่ลืมพกหูฟังออกไปข้างนอก ก็คงจะทำให้รู้สึกหงุดหงิดใจไม่น้อย ยิ่งปัจจุบันที่เทรนด์การใช้หูฟังไร้สายกำลังมาแรงเห็นได้จากที่หลายคนมักจะสวมหูฟังไร้สายไว้ตลอดเวลาเพื่อไม่ให้ขาดการเชื่อมต่อกับสมาร์ทโฟน การเลือกซื้อหูฟังไร้สายคุณภาพดีจึงเป็นสิ่งที่ไม่ควรมองข้าม ซัมซุงขอแนะนำ 3 คุณสมบัติเด็ดของ Galaxy Buds2 ที่จะช่วยให้ผู้ใช้ค้นพบโลกใบใหม่ได้ผ่านประสบการณ์คุณภาพเสียงอันน่าทึ่ง พร้อมใช้งานทุกสถานการณ์ได้ดั่งใจ ด้วย Active Noise Canceling และ Ambient Sound เวลาต้องการฟังเพลงหรือดูคอนเทนต์ขณะเดินทางด้วยรถสาธารณะ หรือแม้กระทั่งเปลี่ยนสถานที่ทำงานเป็นร้านกาแฟเก๋ๆ ซักที่ แน่นอนว่าหูฟังเป็นอุปกรณ์สำคัญที่ทุกคนต้องพกไว้เพื่อให้ได้ยินเสียงที่ชัดเจน โดยไม่รบกวนคนรอบข้าง พร้อมช่วยกรองเสียงบรรยากาศรอบตัวเพื่อเพิ่มสมาธิให้ดียิ่งขึ้น ซึ่ง Galaxy Buds2 มีฟีเจอร์ Active Noise Canceling ช่วยตัดเสียงรบกวนได้สูงสุดถึง 98% พร้อมมอบเสียงคมชัด เบสนุ่มลึกและเสียงสูงที่ชัดเจนด้วยลำโพงไดนามิกระบบ 2 ทิศทาง รวมถึงยังสามารถตั้งค่าอีควอไลเซอร์เพื่อเลือกระบบเสียงที่ชื่นชอบได้ ช่วยให้ผู้ใช้สามารถฟังเพลงหรือประชุมได้อย่างเต็มที่โดยไม่มีอะไรมารบกวน ทั้งนี้ ในบางขณะที่เราต้องการได้ยินเสียงรอบข้าง เช่น เวลาข้ามถนน หรือรอเรียกรับกาแฟที่ร้าน Galaxy Buds2 ยังสามารถสลับไปใช้โหมด Ambient Sound เพื่อเปิดรับเสียงบรรยากาศโดยรอบ พร้อมเลือกปรับเสียงได้ถึง 3 ระดับ และยังสามารถเชื่อมต่อเพื่อควบคุมการปรับระดับเสียงจากสมาร์ทวอทช์ผ่านฟีเจอร์ Auto Switch ได้อีกด้วย ให้ผู้ใช้สามารถเลือกรับฟังทุกเสียงได้ตามใจ พร้อมเข้าสู่โลกของตนเองหรือออกมาสู่โลกแห่งความจริงได้อย่างง่ายดายเพียงแค่สลับโหมด พูดและฟังได้อย่างชัดเจน ด้วย VPU และโซลูชัน Machine learning เคยเจอเหตุการณ์นี้ไหม เวลาคุยโทรศัพท์ต้องสวมหูฟังเพื่อกันเสียงรบกวนในที่สาธารณะ แต่กลายเป็นว่า เผลอพูดเสียงดังคนรอบข้างหันมามองเพราะกลัวว่าปลายสายจะไม่ได้ยิน Galaxy Buds2 ช่วยยกระดับประสบการณ์การสนทนาผ่านหูฟังไร้สายขึ้นไปอีกขั้นด้วยไมโครโฟน 3 ตัวที่มาพร้อมกับเทคโนโลยี VPU (Voice Pickup…
Read More
Index Of News
Total
0
Share