Фізики з США і Сінгапуру надрукували на 3D-принтері каркас зіркового багатогранника, здатного зменшувати свій обсяг при нагріванні. При цьому пластик, з якого було надруковано матеріал, поводився як більшість відомих речовин - розширювався. Вчені сподіваються, що дослідження подібних складних конструкцій допоможуть у майбутньому створити матеріал, що не змінює свого обсягу при нагріванні. Робота опублікована в журналі, коротко про неї повідомляє.
Більшість відомих матеріалів, за рідкісними винятками, при нагріванні збільшують свій обсяг - це стосується сталі та інших металів, асфальтобетону, різних напівпровідників. Така поведінка пов'язана з тим, що зі зростанням температури молекули в кристалічній решітці починають інтенсивніше коливатися, займаючи більше місця в просторі. В результаті збільшується і обсяг, що займається матеріалом.
Теплове розширення нерідко ускладнює створення різних об'єктів. Механічна напруга, що виникає при нагріванні рейок, дорожнього покриття або навіть кремнієвих підкладок для мікроелектроніки, може призвести до утворення тріщин або сильно деформувати об'єкти.
У деяких матеріалах може спостерігатися зворотне явище - зменшення обсягу зі зростанням температури. Найвідоміший приклад такої поведінки - вода при температурах від 0 до + 3,98 градуса Цельсія. Зазвичай, негативні коефіцієнти теплового розширення існують у вузьких діапазонах температур.
У новій роботі фізики створили тривимірний матеріал, здатний до стиснення при збільшенні температури у великому інтервалі - від 100 до 250 градусів Цельсія. Він складається з зіркових багатогранників, скріплених у тривимірну решітку. Вибір таких багатогранників обґрунтували раніше теоретики. Згідно з моделюванням, за рахунок порожнин у матеріалі можна забезпечити його стиснення тоді, коли окремі його елементи розтягуються.
Для ребер багатогранників автори вибрали два матеріали з сильно відрізняються коефіцієнтами теплового розтягнення. В їх основі лежав один і той же полімер, але в один з матеріалів були додані наночастинки міді, що сильно зменшили його теплове розтягнення. Для складання зіркових багатогранників вчені використовували методику проекційної мікростереолітографічної 3D-друку. Вона використовує ультрафіолетовий проектор для відвердження матеріалу в заданій області.
Експеримент показав, що стиснення в «зіркових» матеріалах починається приблизно при 100 градусах Цельсія. Максимальне зменшення обсягу, зафіксоване авторами при 250 градусах Цельсія, склало близько одного відсотка. Ця величина сильно залежала від частки мідних наночастинок у матеріалах ребер, що дозволяє підбирати властивості в широких межах. Для порівняння, у разі заліза таке ж зростання температури забезпечило б збільшення обсягу на піввідсотка.
Автори сподіваються, що такий підхід до розробки дозволить створити матеріали з нульовим коефіцієнтом теплового розширення в широкому робочому діапазоні. Це дозволить запобігти руйнуванню конструкцій, що використовуються в екстремальних термомеханічних умовах.
Негативний коефіцієнт теплового розширення може бути викликаний різними причинами. Наприклад, у разі кварцу або вольфрамату цирконію за поведінку відповідальні незвичайні коливання кристалічної решітки - останній матеріал безперервно стискається в діапазоні температур від 0,3 до 1050 кельвінів. Деякі полімери здатні стискатися при невеликому підвищенні температур - це пов'язано з тим, що їхні молекули при нагріванні отримують більше «свободи» руху і з розтягнутого стану згортаються в клубки. У разі трифториду скандію, про який ми писали раніше, всьому виною виявилася «нерішучість» матеріалу здійснити фазовий перехід.