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 LiBO₂. 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 LiBO₂ 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 лития, 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 LiBO₂ 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 LiBO₂, 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, LiBO₂ найдёт широкое применение в сверхточных оптических устройствах, работающих при низких температурах.