Химики СПбГУ синтезировали новое вещество, которое сжимается при нагревании

Исследователям Санкт-Петербургского университета удалось вырастить необычные кристаллы фторида скандия — вещества с уникальными термическими свойствами.

Материалы, созданные на его основе, можно будет использовать в различных областях — от медицины до космической техники. Результаты исследования опубликованы в журнале британского Королевского химического общества Crystal Engineering Communications, который вынес иллюстрацию к статье на обложку 20-го выпуска.

Фторид скандия (ScF3) — это соль очень редкого металла, стоимость которого в несколько раз превышает стоимость золота. До недавнего времени была известна только одна его кристаллическая модификация с простой кубической структурой, однако исследователям кафедры химии твердого тела удалось синтезировать фторид скандия с новой гексагональной кристаллической структурой. Растут такие кристаллы в форме шестигранных стержней, похожих на карандаши, в специальной атмосфере на поверхности раствора.

В новой работе представлены результаты расшифровки структуры полиморфной модификации, проведенной специалистами ресурсного центра СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования». К тому же исследователи научились управлять характеристиками кристаллов: стержни могут вырастать в длину до семи микрон и даже ориентированно выстраиваться в упорядоченный строй.

Что интересно, фторид скандия относится к небольшой группе веществ, которые обладают отрицательным термическим расширением, то есть во время нагревания они сжимаются. Обычно при повышении температуры за счет теплового движения атомов различные материалы начинают расширяться, что нередко приводит к разрушению компонентов в самых разных оптических и электронных устройствах. Избежать подобных проблем помогут материалы с управляемым термическим поведением, основой для которых может стать фторид скандия.

Большие перспективы их использования открываются в различных областях — от медицины до космической техники.

Простейший пример: материал зубной пломбы должен расширяться и сжиматься в точности так же, как и материал самого зуба, иначе, выпив горячего чая или холодной воды, человек рискует потерять пломбу или еще хуже — она может разрушить зуб. Орбитальные станции или космические аппараты на Луне или Марсе подвергаются огромным перепадам температур, что также сказывается на работе высокоточной аппаратуры.

«Фторид скандия можно химически модифицировать, введя в структуру другие элементы или молекулы, или объединить в композитном материале с веществом, которое при нагревании расширяется, и в результате получить материал с нулевым термическим расширением, — отметила один из авторов исследования, старший научный сотрудник СПбГУ кандидат химических наук Лариса Гулина. — Это значит, что любое изделие из такого материала не будет меняться в объеме даже при очень высоких или низких температурах. В отличие от полимеров, применяющихся для решения подобных задач, новая модификация фторида скандия устойчива в диапазоне примерно от минус 200° С до 500–600° С».

Сжимаются стержни фторида скандия анизотропно в различных направлениях. Как выяснили исследователи, сжатие вдоль оси призмы практически не отличается от того, что происходит при нагревании этого вещества с кубической кристаллической решеткой. А вот сжатие в поперечном сечении кристалла начиная с температуры около 200° С происходит в три раза быстрее.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 16–13–10223.

«Значения коэффициентов термического расширения таковы, что из одного метра мы потеряем несколько миллиметров при нагреве от 200 до 300° С, — подчеркнул ведущий специалист по рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения ресурсного центра СПбГУ "Рентгенодифракционные методы исследования" кандидат геолого-минералогических наук Игорь Касаткин. — К тому же процессы сжатия и обратного расширения происходят немного по разным сценариям». Причины этого пока не вполне ясны, поэтому химики продолжают изучать вещество и его уникальные характеристики.

В исследовании также приняли участие заместитель директора ресурсного центра кандидат геолого-минералогических наук Наталия Платонова, профессор СПбГУ, доктор химических наук Валерий Толстой и заведующий кафедрой химии твердого тела СПбГУ доктор химических наук, профессор Игорь Мурин.