Федеральный исследовательский центр  «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»

Отрицательное тепловое расширение считается довольно необычным типом поведения для твёрдых тел. Обычно вещества при нагревании расширяются. Атомы твёрдых тел, жидкостей или газов начинают с большей амплитудой колебаться и занимают больший объём. Вопреки этой логике, некоторые вещества обладают  отрицательным коэффициентом теплового расширения, например, обычный лёд. Как сообщает сайт СФУ , исследователи из Китая и Красноярска  изучили подобное поведение вещества со слоистой структурой, чтобы понять, как лучше управлять двумерными материалами с отрицательным тепловым расширением  или композитами, в которые входят подобные материалы. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry of Materials .

Метаборат лития — неорганическое соединение, соль лития и метаборной кислоты с формулой LiBO 2 . Это бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и образующие кристаллогидраты. Легкость синтеза, а также доступность исходных материалов, позволяет рассматривать эти кристаллы как интересные объекты для изучения двумерного отрицательного теплового расширения. Также учёных заинтересовали перспективы применения LiBO 2   в оптике, ведь подобные материалы можно применять в технике, электронике, строительстве, медицине  и, конечно, фотонике.

"В этом исследовании мы наблюдали двухмерное отрицательное тепловое расширение в кристалле метабората ли тия, происходящее внутри графитоподобных слоев. Удалось установить, что такое поведение обусловлено необычным уменьшением углов ∠O-Li-O и ∠B-O-B внутри таких слоев, которое в свою очередь вызвано увеличением длин связей Li-O при повышении температуры.  Смешивая  LiBO 2   с материалом, обладающим обычным тепловым расширением, можно получить различные композитные материалы с нулевым расширением, чтобы избавиться от „температурных качелей“. Например, стоматологические пломбы и зубная эмаль расширяются с разной скоростью, когда человек пьёт горячий чай. Если изготавливать пломбы из композита с нулевым расширением — это решит проблему болей, возникающих как реакция на горячий напиток. В оптике тоже нужны материалы с контролируемым тепловым расширением. Теплопроводность материалов имеет большое значение для сохранения теплового баланса в приложениях лазерной оптики, а также при проектировании оптических линз и подложек ", — сообщил соавтор статьи, сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН, доцент  СФУ  Максим Молокеев .

Интересным результатом работы стало обнаружение факта, что в кристалле метабората лития решающую роль в тепловом поведении играет примерно одинаковое растяжение Li-O как в плоскости слоя, так и вне плоскости. Это позволило пересмотреть сложившееся мнение о том, что межслоевое взаимодействие должно быть значительно слабее внутрислоевого и значительно расширило область исследования подобных материалов.

Изучив оптическую пропускающую способность кристалла LiBO 2 , учёные выяснили, что материал имеет высокую прозрачность в диапазоне 190–5790 нм при комнатной температуре и обладает широким спектральным диапазоном (от ультрафиолетового до инфракрасного излучения). Расчёты свидетельствуют, что широкий диапазон оптического пропускания будет поддерживаться и при изменении температуры, что очень важно для материала, применяющегося в оптике. Благодаря преимуществу  двухмерного  отрицательного  теплового  расширения  в сочетании с превосходными оптическими свойствами, LiBO 2   найдёт широкое применение в сверхточных оптических устройствах, работающих при низких температурах.