研究揭開因瓦合金低溫不膨脹之謎

　　因瓦合金的熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定長(zhǎng)度。日本研究人員日前發(fā)表論文說，量子波動(dòng)是因瓦合金在低溫條件下不膨脹的原因。

　　因瓦合金也叫“不變鋼”，是一種鐵鎳合金，它的熱膨脹系數(shù)極低，在從極低溫度到超過室溫這樣很寬的溫度范圍內(nèi)都能保持固定長(zhǎng)度，適合做測(cè)量元件。瑞士物理學(xué)家紀(jì)堯姆1897年發(fā)現(xiàn)了這種奇異的合金，并憑借此成果獲得1920年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　日本自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)分子科學(xué)研究所日前發(fā)布公報(bào)說，因瓦合金在室溫以上環(huán)境中不膨脹的原因有科學(xué)解釋，但在低溫狀態(tài)下不膨脹，過去一直沒有合理解釋。

　　公報(bào)說，科學(xué)家魏斯1963年用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型成功解釋了“因瓦效應(yīng)”，合金里的鐵原子有兩種狀態(tài)：一種是原子半徑大且能量穩(wěn)定的高自旋狀態(tài)，另一種是原子半徑小且不穩(wěn)定的低自旋狀態(tài)。伴隨著溫度的上升，低自旋狀態(tài)的密度增加，原子想要收縮，而另一方面溫度升高使原子的熱振動(dòng)更加激烈，物質(zhì)原子間的距離就會(huì)拉大，以避免原子之間的碰撞。“因瓦效應(yīng)”就是上述兩種效果正好相抵消，合金就不會(huì)膨脹。魏斯的模型到目前仍被廣泛認(rèn)可，但是這個(gè)模型只能說明，因瓦合金為何在室溫以上的環(huán)境下不膨脹，沒有充分揭示其在低溫條件不膨脹的原因。

　　自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)分子科學(xué)研究所教授橫山利彥等人利用同步輻射加速器產(chǎn)生的射線束以及X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)分光法，詳細(xì)分析了因瓦合金中的鐵原子和鎳原子的原子間距離隨溫度變化而產(chǎn)生的變化，測(cè)定了鐵和鎳局部的熱膨脹，并進(jìn)行了基于魏斯模型的經(jīng)典力學(xué)計(jì)算。研究結(jié)果表明，低溫環(huán)境下的“因瓦效應(yīng)”不遵循魏斯模型，其主要成因是量子波動(dòng)。

　　公報(bào)說，因瓦合金具備非常有用的特性，探明帶來這種特性的機(jī)制，將有助于今后的材料。