Nový materiál se bude hodit pro hypersonické letouny. Kredit: Raytheon.

Mnohé materiály při změnách teplot mění svůj objem. Můžeme to využívat ke svému prospěchu, ale často je to problém, který je nutné komplikovaně řešit. Australští materiáloví vědci nedávno vyvinuli nový materiál, který je jedním z nejvíce termálně stabilních materiálů, jaké se kdy dostaly lidem do rukou.

Neeraj Sharma.

Kredit: UNSW.

Tento podivuhodný materiál představuje směs skandia, hliníku, wolframu a kyslíku (Sc_1,5Al_0,5W₃O₁₂). Zcela beze změny objemu zůstává v neuvěřitelném rozsahu teplot, od mínus 269 až po 1126 stupňů Celsia. Podle jeho tvůrců z University of New South Wales to je širší rozsah teplot, než u jakéhokoliv jiného materiálu pro praktické využití. Něco takového velmi uvítají inženýři pro výrobu komponent, které budou vystaveny extrémním změnám teplot.

Možných využití se nabízí celá řada. Materiál bude velmi žádoucí při výrobě leteckých a vesmírných technologií, kde si s prudkými změnami teplot lámou hlavy dnes a denně. Mezi odborníky se traduje případ legendárního „Kosa“ SR-71 Blackbird, který se při své nejvyšší rychlosti Mach 3,4 roztahoval tak, že měl problémy s naplněním palivových nádrží.

Zařízení Echidna. Kredit: ANSTO.

Nový materiál australských vědců je zcela lhostejný vůči teplotám blízkým absolutní nule a zároveň také vůči teplotám, jaké je možné čekat při provozu letounů dosahujících rychlostí Mach 5. Materiál se ale rovněž uplatní v méně extrémních prostředích, protože řada komponent, například v biomedicíně, nezvládne ani nepatrné roztažení vlivem vyšší teploty.

Jak to často bývá zvykem, v Austrálii tento materiál objevili náhodou. Jak přiznal vedoucí výzkumu Neeraj Sharma, s kolegy experimentovali s materiály při výzkumu baterií a najednou zjistili, že při tomto konkrétním složení získali materiál s podivuhodnými vlastnostmi.

Badatelé proměřili vlastnosti materiálu na speciálním systému Echidna (high-resolution powder diffractometer), které pracuje v zařízení Australian Synchrotron a v centru Australian Centre for Neutron Scattering. Zjistili, že materiál je skutečně výjimečně termostabilní. Na rozdíl od jiných materiálů u něj při zahřívání prakticky nedochází k prodlužování vazeb mezi atomy, ani k rotaci atomů, což jsou fenomény, které obvykle odpovídají za roztahování materiálů za vyšších teplot. Mechanismus, který stojí za stabilitou nového materiálu, přitom není detailně známý. Každopádně to ale funguje.

Sharmův tým hodlá s materiálem dál experimentovat. Chtějí vyladit jeho složení, které zatím není úplně ideální. Hliník, wolfram a kyslík jsou v pohodě, ale skandium je vzácnější a dražší. Pokud by se podařilo skandium nahradit levnějším prvkem, prospělo by to praktickému uplatnění.

Video: Advanced material has zero thermal expansion

Literatura

ANSTO 9. 6. 2021.

Chemistry of Materials 33: 3823–3831.