열팽창이란 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축하는 특성입니다. 금속과 목재와 같은 고체와 액체, 기체는 기본적으로 이 특성을 가지고 있습니다. 그러나 철과 니켈을 일정 비율로 결합한 '인바'라는 합금은 열팽창을 거의 일으키지 않는 것으로 알려져 있었지만 그 원리는 밝혀지지 않았습니다. 캘리포니아 공과대학의 재료과학자인 브렌트 후르츠 씨 연구팀이 인바가 열팽창을 일으키지 않는 원리에 대해 규명했습니다.
Some Alloys Don't Change Size When Heated. We Now Know Why. | www.caltech.edu
https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why
Some Alloys Don't Change Size When Heated. We Now Know Why.
Researchers in the lab of Brent Fultz have discovered why so-called Invar alloys keep a steady size and shape over a broad range of temperatures—unlike most materials.
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Some alloys don't change size when heated, and we now know why
https://phys.org/news/2023-07-alloys-dont-size.html
Some alloys don't change size when heated, and we now know 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
phys.org
A thermodynamic explanation of the Invar effect | Nature Physics
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02142-z
열팽창은 온도가 상승함에 따라 재료의 원자가 격렬하게 진동함으로써 발생하는 현상입니다. 원자가 강하게 진동할수록 이 원자들은 인접한 원자들로부터 밀려 나와 원자들 사이의 공간이 확대됩니다. 그 결과 재료밀도가 떨어지고 전체 크기가 커집니다.
더운 날 등에서는 열팽창이 발생하여 건조물이 구부러져 파손될 위험성이 있기 때문에, 선로의 부설이나 다리, 건물의 건조 시에는 열팽창의 특성을 염두에 둔 여유 있는 설계가 이루어집니다.
한편 1895년에 발견된 인바는 모든 온도에서 크기와 밀도가 거의 변하지 않습니다. 캘리포니아대학의 스테판 로하우스 씨는 “열팽창하지 않는 인바가 발견된 것은 아마도 전대미문일 것”이라고 말했습니다.
열팽창의 특성을 거의 갖지 않는 인바는 시계나 망원경, 액화 천연가스의 수송선의 탱크 등의 용도로 사용되고 있습니다. 그러나 인바가 왜 열팽창의 특성을 갖지 않는지는 지금까지 밝혀지지 않았습니다.
지금까지의 연구에서 열팽창은 열역학의 중심 개념인 엔트로피와 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 엔트로피는 한 시스템에서 원자 위치의 온도 차이로 인한 무질서의 척도입니다. 온도가 상승함에 따라 시스템의 엔트로피도 증가하는 것으로 생각됩니다. 온도 상승에 따른 엔트로피의 증가는 기본적으로 보편적인 것으로 간주되므로 인바가 열팽창을 일으키지 않는 요인을 찾아야 했습니다
로하우스 씨는 “지금까지 강자성인 특정 합금만이 인바로서 취급되어 왔기 때문에 열팽창과 강자성 사이에 어떠한 관계가 있을 것이라고 오랫동안 의심되어 왔다”고 설명했습니다.
후루츠 씨의 연구팀은 자성과 원자의 진동을 모두 측정할 수 있는 실험장치를 사용하여 인바의 원자진동과 온도를 올렸을 때의 전자의 스핀상태를 관찰했습니다.
온도가 낮을 때는 인바 내에서 동일한 스핀상태를 공유하는 전자가 많아지고 반발하면서 원자를 바깥쪽으로 밀어주는 힘이 작용합니다. 한편 온도를 올리면 일부 전자의 스핀상태가 반전하게 되고 그 결과 전자는 옆의 전자와 반발하는 일은 없어져 전자끼리가 붙잡음으로써 수축하게 됩니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 인바의 원자는 진동이 커지고 팽창을 시작했고 인바의 수축과 팽창이 미묘한 밸런스로 발생하면서 결과적으로 인바의 크기가 변하지는 않았습니다.
연구팀의 이 발견은 원자가 진동하는 주파수가 자성에 따라 변하는 곳 등 진동과 자성 사이의 상호작용이 이 균형이 어떻게 도움이 되는지를 밝혔습니다. 이 발견은 또한 다른 자성재료에서의 열팽창의 이해와 자기를 이용한 냉동 재료의 개발로 이어질 것으로 기대됩니다.
로하우스 씨는 “이번 우리의 연구는 100년 이상에 걸친 과학계의 수수께끼를 풀어낼 수 있었던 중요한 발견으로, 지금까지 자성이 어떻게 물체의 수축을 일으키는지를 보여주기 위해 수천 개의 연구가 보고되어 왔지만 인바에서 열팽창이 발생하지 않는 요인에 대한 설명은 없었다”고 평가했습니다.
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