4~1400K에 걸쳐 열팽창 제로의 신물질을 발견

호주원자력과학기술기구(ANSTO)와 뉴사우스 웨일스 대학(UNSW) 공동연구팀이 매우 광범위한 온도에서 팽창도 수축도 하지 않는 열적으로 매우 안정적인 재료를 발견했다.

스칸듐과 알루미늄, 텅스텐, 산소로 구성되는 직방정계 Sc1.5Al 0.5W3O12 결정으로 41400K(-2691126℃)에 걸쳐 대부분 열팽창하지 않으며 부피 변화도 없다.

기초과학적으로 매우 흥미로운 물리현상으로 주목받을 뿐만 아니라 정밀기기와 제어기구, 항공기 및 우주왕환기, 고정밀 전자부품, 의료임플란트 등 높은 열적 안정성이 요구되는 용도에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구 성과가 2021년 5월 6일  'Chemistry of Materials'지에 논문 공개되었다.

철도용 레일과 송전선, 전자기판과 반도체 제조장치에서 항공우주 분야까지 기계설계와 구조설계에서는 재료 열팽창의 영향을 고려할 필요가 있다.

예를 들면 우주왕복선이나 초음속 항공기에서는 발사시나 대기권에 재돌입시에는 초고열에 노출 되거나 또는 우주 공간에서는 초저온에 노출되므로 열팽창의 제어는 필수다.

상온 영역에서는 철이나 니켈의 1/10 이하의 저열 팽창률 1/10-6/K를 나타내는 앰버 합금 Fe-36% Ni이 알려져 있으며 브라운관 TV 시대에는 섀도우 마스크로 대량으로 사용되었다.

현재는 정밀광학이나 집적회로의 서포트 구조에 이용되고 있다.

최근에는 비스머스 니켈 철산화물이나 텅스텐산 지르코늄 등 온도상승에 따라 원자간 결합이 강해지는 것을 이용한 마이너스 열팽창률을 갖는 물질도 발견되어 응용이 검토되기 시작하고 있다.

연구팀은 배터리 재료에 대한 연구를 실시하던 중 우연히 열팽창이 제로라는 특이한 특성을 가진 재료 조성을 발견했다.

직방정계 Sc1.5Al 0.5W3O12결정은 지금까지 보고된 것 중 가장 광범위한 온도범위 41400K(-269~1126℃)에 걸쳐 한 축방향으로도 부피적으로도 거의 열팽창이 없으며 부피열팽창율은 610-8/K로 매우 작다.

또 합성방법은 비교적 단순하며 알루미늄과 텅스텐의 산화물은 쉽게 구할 수 있어서 대량생산이 가능한 것으로 알려졌다.

스칸듐은 희귀하고 비싸지만 안정성을 유지한 채 스칸듐을 대체할 수 있는 다른 원소도 검토하고 있다고 연구팀은 설명했다.

ANSTO 중성자 및 X선 회절실험을 통해 광범위한 온도범위에서의 재료구조를 해석한 결과 원자간 결합이나 산소원자의 위치, 원자배치 회전에 대해서는 작은 변화밖에 보이지 않아 구조적 안정성을 갖는 것이 확인됐다.

현 시점에서 열팽창을 제로로 억제할 수 있는 메커니즘에 대해서는 밝혀지지 않았지만 복잡한 결정학적 특성 또는 동적 거동 등 다른 요인의 협조적인 작용이 작용했을 수도 있다고 연구팀은 말한다.

현재 이 결정에 대해 가속기 과학센터에서 비탄성 중성자 산란 측정을 하고 있다.

https://youtu.be/PcpAWed_0XA

참고원문은 아래링크를 참고하세요.
New advanced material shows extraordinary stability over wide temperature range



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