Группа российских и китайских ученых первыми в мире смогла добиться изотропного нулевого теплового расширения материала в чрезвычайно широком диапазоне температур — от 11 до 893К (коэффициент термического расширения ~0.21×10−6 K-1). Это материал на основе минерала содалита — CASO (Cd4Al6O12SO4). В работе предложена новая стратегия дизайна ZTE-материалов, позволяющая преодолеть ограничение, связанное с узким температурным окном.
ZTE-материалы практически не меняют свои размеры при изменении температуры. Они востребованы в высокоточных приложениях, где даже незначительные тепловые деформации приводят к сбоям — это и космическая оптика, лазерные системы, и наноэлектроника, энергетические установки. Они могут обеспечить размерную стабильность, что позволяет создавать более компактные, надежные и точные устройства для работы в экстремальных температурах. Однако традиционные ZTE-материалы с открытыми каркасами (как у цеолитов) гибки и дают нужный эффект, но нестабильны при высоких температурах. Закрытые (как у содалита), наоборот, стабильны, но гасят отвечающие за нулевое расширение атомы.
Чтобы решить эту проблему и сделать стабильный и гибкий материал, ученые внесли изменения в структуру материала. Исследователи включили в минерал содалит гибкие межузельные группы с частично занятыми атомами (в CASO это фрагменты [SO4]/[CdO4]). Созданный материал получил «суперсвойства»: у него сверхширокий температурный диапазон ZTE, и он превосходит все известные в мире изотропные материалы с нулевым тепловым расширением.
Он обладает экстремальной термической стабильностью, сохраняя структуру при режиме до 1100 К (к слову, температура Солнца — 5780 К), выдерживает длительный нагрев и многократные переходы между двумя заданными температурами. Также у него высокая оптическая прозрачность и рекордная термооптическая стабильность — изменение ширины запрещенной зоны с температурой как минимум вдвое меньше, чем у любых известных оптических материалов. По твердости материал превосходит кварц, подчеркивают ученые.
Как отмечают создатели, CASO может быть востребован в космической оптике, лазерных системах и энергетических установках. Уникальное сочетание свойств открывает перспективы разработки приборов нового поколения, которые не подвергаются воздействию температурных перепадов. Исследователи считают, что стоит искать и другие химические составы по предложенной ими стратегии, также планируется разработка технологий для практического применения, в частности, выращивания крупных кристаллов и создания тонких пленок и покрытий.
Ранее Наука Mail рассказывала, что российские ученые разработали новый подход для создания элементов оптики для связи
