नकारात्मक थर्मल विस्तार

नकारात्मक तापीय विस्तार (NTE) एक असामान्य भौतिक रसायन प्रक्रिया है जिसमें कुछ सामग्री गर्म होने पर सिकुड़ती है, बजाय इसके कि अधिकांश अन्य सामग्री फैलती है। एनटीई के साथ सबसे प्रसिद्ध सामग्री 0~4 डिग्री सेल्सियस पर पानी है। पानी का एनटीई वह कारण है जिसके कारण बर्फ तरल पानी में डूबने के बजाय तैरती है। सामग्री जो एनटीई से गुजरती है, में संभावित अभियांत्रिकी, फोटोनिक्स,  इलेक्ट्रानिक्स  और संरचनात्मक अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, यदि कोई नकारात्मक थर्मल विस्तार सामग्री को एक सामान्य सामग्री के साथ मिलाता है जो गर्म होने पर फैलता है, तो इसे थर्मल विस्तार कम्पेसाटर के रूप में उपयोग करना संभव हो सकता है जो कम्पोजिट सामग्री बनाने की अनुमति दे सकता है या शून्य थर्मल विस्तार के करीब भी हो सकता है।.

नकारात्मक थर्मल विस्तार की उत्पत्ति
ऐसी कई भौतिक प्रक्रियाएँ हैं जो बढ़ते तापमान के साथ संकुचन का कारण बन सकती हैं, जिनमें अनुप्रस्थ कंपन मोड, कठोर यूनिट मोड और चरण संक्रमण शामिल हैं।

2011 में, लियू एट अल। दिखाया गया है कि NTE घटना उच्च दबाव के अस्तित्व से उत्पन्न होती है, उच्च एन्ट्रापी के साथ छोटी मात्रा के विन्यास, थर्मल उतार-चढ़ाव के माध्यम से स्थिर चरण मैट्रिक्स में मौजूद उनके विन्यास के साथ। वे विशाल सकारात्मक तापीय विस्तार (सीरियम में) और शून्य और अनंत नकारात्मक तापीय विस्तार (में) दोनों की भविष्यवाणी करने में सक्षम थे। ). वैकल्पिक रूप से, बड़े नकारात्मक और सकारात्मक थर्मल विस्तार का परिणाम आंतरिक माइक्रोस्ट्रक्चर के डिजाइन से हो सकता है।

क्लोज-पैक सिस्टम में नकारात्मक थर्मल विस्तार
नकारात्मक थर्मल विस्तार आमतौर पर गैर-क्लोज-पैक सिस्टम में दिशात्मक बातचीत (जैसे बर्फ, ग्राफीन, आदि) और जटिल यौगिकों (जैसे।, , बीटा-क्वार्ट्ज, कुछ जिओलाइट्स, आदि)। हालाँकि, एक पेपर में, यह दिखाया गया था कि नकारात्मक थर्मल विस्तार (NTE) को सिंगल-कंपोनेंट क्लोज-पैक लैटिस में पेयर सेंट्रल फोर्स इंटरैक्शन के साथ भी महसूस किया जाता है। अंतर-परमाण्विक क्षमता के लिए एनटीई व्यवहार को जन्म देने वाली क्षमता के लिए निम्नलिखित पर्याप्त शर्त प्रस्तावित है, $$ \Pi(x)$$, संतुलन दूरी पर $$ a $$: $$ \Pi'''(a) > 0,$$ कहाँ $$ \Pi'''(a)$$ संतुलन बिंदु पर अंतर-परमाणु क्षमता के तीसरे व्युत्पन्न के लिए आशुलिपि है: $$ \Pi'''(a) = \left.\frac{d^3 \Pi(x)}{dx^3}\right|_{x=a}$$ यह शर्त (i) 1D में आवश्यक और पर्याप्त है और (ii) पर्याप्त है, लेकिन 2D और 3D में आवश्यक नहीं है। एक पेपर में अनुमानित आवश्यक और पर्याप्त स्थिति प्राप्त होती है $$ \Pi'(a)a > -(d-1)\Pi(a),$$ कहाँ $$ d $$ अंतरिक्ष आयामीता है। इस प्रकार 2डी और 3डी में निगेटिव थर्मल एक्सपेंशन क्लोज-पैक्ड सिस्टम में पेयर इंटरेक्शन के साथ महसूस किया जाता है, तब भी जब क्षमता का तीसरा डेरिवेटिव शून्य या नकारात्मक भी होता है। ध्यान दें कि एक-आयामी और बहुआयामी मामले गुणात्मक रूप से भिन्न होते हैं। 1D में तापीय विस्तार केवल अंतरापरमाण्विक क्षमता की धार्मिकता के कारण होता है। इसलिए, थर्मल विस्तार गुणांक का संकेत क्षमता के तीसरे व्युत्पन्न के संकेत से निर्धारित होता है। बहुआयामी मामले में ज्यामितीय गैर-रैखिकता भी मौजूद है, यानी हार्मोनिक इंटरटॉमिक क्षमता के मामले में भी जाली कंपन गैर-रैखिक हैं। यह गैर-रैखिकता थर्मल विस्तार में योगदान करती है। इसलिए, बहुआयामी मामले में दोनों $$\Pi$$ और $$\Pi'$$ नकारात्मक थर्मल विस्तार की स्थिति में मौजूद हैं।

सामग्री
नकारात्मक थर्मल विस्तार को प्रदर्शित करने के लिए शायद सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली सामग्रियों में से एक है जिरकोनियम टंगस्टेट. यह यौगिक 0.3 से 1050 K के तापमान रेंज में लगातार सिकुड़ता है (उच्च तापमान पर सामग्री सड़ जाती है)। एनटीई व्यवहार प्रदर्शित करने वाली अन्य सामग्री में अन्य सदस्य शामिल हैं सामग्री का परिवार (जहाँ A =  या, एम =  या ) और  और , यद्यपि  और  केवल 350 से 400 केल्विन से शुरू होने वाले उनके उच्च तापमान चरण में।  भी नियंत्रणीय नकारात्मक तापीय विस्तार का एक उदाहरण है।  घन क्रिस्टल प्रणाली  सामग्री जैसे  और भी  और  विशेष रूप से इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के लिए कीमती हैं क्योंकि वे आइसोट्रॉपी एनटीई प्रदर्शित करते हैं यानी एनटीई तीनों आयामों में समान है जिससे उन्हें थर्मल विस्तार कम्पेसाटर के रूप में लागू करना आसान हो जाता है। साधारण बर्फ एनटीई को अपने हेक्सागोनल और क्यूबिक चरणों में बहुत कम तापमान (-200 डिग्री सेल्सियस से नीचे) पर दिखाता है। अपने तरल रूप में, शुद्ध पानी 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप विस्तारकता भी प्रदर्शित करता है।

ALLVAR मिश्रधातु 30, एक टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातु, 20 डिग्री सेल्सियस पर तापीय विस्तार के -30 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस तात्कालिक गुणांक के साथ एनटीई को एक व्यापक तापमान सीमा पर दिखाता है। रेफरी>{{cite journal |last1=Monroe |first1=James A. |editor2-first=Roland |editor2-last=Geyl |editor1-first=Ramón |editor1-last=Navarro |title=दूरबीनों के लिए नकारात्मक थर्मल विस्तार ALLVAR मिश्र|journal=Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation II |date=10 July 2018 |volume=III |pages=26 |doi=10.1117/12.2314657|bibcode=2018SPIE10706E..0RM |isbn=9781510619654 |s2cid=140068490 } ALLVAR मिश्र धातु 30 का नकारात्मक तापीय विस्तार अनिसोट्रोपिक है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्री का उपयोग प्रकाशिकी, एयरोस्पेस और क्रायोजेनिक्स उद्योगों में ऑप्टिकल स्पेसर्स के रूप में किया जाता है जो थर्मल डिफोकस, अल्ट्रा-स्थिर स्ट्रट्स और वाशर को थर्मली-स्थिर बोल्ट वाले जोड़ों से रोकते हैं। रेफरी>

कार्बन फाइबर NTE को 20°C और 500°C के बीच दर्शाता है। रेफरी>{{cite book |last1=Kude |first1=Y. |last2=Sohda |first2=Y. |editor1-last=Shiota |editor1-first=Ichiro |editor2-last=Miyamoto |editor2-first=Yoshinari |title=कार्यात्मक रूप से वर्गीकृत सामग्री 1996|date=1997 |publisher=Elsevier Science B.V. |isbn=9780444825483 |pages=239–244 |url=https://doi.org/10.1016/B978-044482548-3/50040-8 |accessdate=17 September 2020 |chapter=Thermal management of carbon-carbon composites by functionally graded fiber arrangement technique|doi=10.1016/B978-044482548-3/50040-8 } कार्बन फाइबर के प्लास्टिक के अनुपात को समायोजित करके और कार्बन फाइबर के उन्मुखीकरण को समायोजित करके विशिष्ट अनुप्रयोगों / शर्तों के लिए कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक घटकों के सीटीई को तैयार करने के लिए इस संपत्ति का उपयोग तंग-सहिष्णुता वाले एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में किया जाता है। भाग।

क्वार्ट्ज और कई जिओलाइट्स भी निश्चित तापमान सीमाओं पर एनटीई दिखाते हैं।  लगभग 18 K और 120 K के बीच के तापमान के लिए काफी शुद्ध सिलिकॉन (Si) में थर्मल विस्तार का एक नकारात्मक गुणांक होता है। क्यूबिक स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड में यह गुण होता है जिसे फ्लोराइड आयनों के क्वार्टिक दोलन द्वारा समझाया जाता है। फ्लोराइड आयन के झुकने वाले तनाव में संग्रहीत ऊर्जा विस्थापन कोण की चौथी शक्ति के समानुपाती होती है, अधिकांश अन्य सामग्रियों के विपरीत जहां यह विस्थापन के वर्ग के समानुपाती होती है। एक फ्लोरीन परमाणु दो स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है, और जैसे ही तापमान बढ़ता है, फ्लोरीन अपने बांडों के लंबवत दोलन करता है। यह स्कैंडियम परमाणुओं को पूरी सामग्री में एक साथ खींचता है और यह सिकुड़ता है। इस संपत्ति को 10 से 1100 K के ऊपर प्रदर्शित करता है जो सामान्य सकारात्मक थर्मल विस्तार को दर्शाता है। शेप मेमोरी एलॉय जैसे NiTi सामग्री का एक नवजात वर्ग है जो शून्य और नकारात्मक थर्मल विस्तार प्रदर्शित करता है।

अनुप्रयोग
(असंगत) नकारात्मक थर्मल विस्तार वाली सामग्री के साथ (साधारण) सकारात्मक थर्मल विस्तार के साथ एक सामग्री की समग्र सामग्री बनाने से कंपोजिट के थर्मल विस्तार या यहां तक ​​​​कि शून्य के करीब थर्मल विस्तार के साथ कंपोजिट होने की अनुमति मिल सकती है। यदि तापमान में परिवर्तन होता है तो नकारात्मक और सकारात्मक थर्मल विस्तार एक दूसरे को एक निश्चित मात्रा में क्षतिपूर्ति करते हैं। समग्र थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई) को एक निश्चित मूल्य पर सिलाई करना समग्र के थर्मल विस्तार में योगदान देने वाली विभिन्न सामग्रियों के आयतन  अंशों को अलग करके प्राप्त किया जा सकता है। विशेष रूप से इंजीनियरिंग में शून्य के करीब CTE वाली सामग्री की आवश्यकता होती है, यानी एक बड़े तापमान रेंज पर निरंतर प्रदर्शन के साथ। सटीक उपकरणों में आवेदन के लिए। लेकिन रोजमर्रा की जिंदगी में भी शून्य के करीब सीटीई वाली सामग्री की आवश्यकता होती है। ग्लास सिरेमिक कुकटॉप्स जैसे ग्लास-सिरेमिक कुकटॉप्स को खाना पकाने के दौरान तापमान में बड़े उतार-चढ़ाव और तापमान में तेजी से बदलाव का सामना करने की आवश्यकता होती है क्योंकि कुकटॉप्स के केवल कुछ हिस्से ही गर्म होंगे जबकि अन्य हिस्से कमरे के तापमान के करीब रहते हैं। सामान्य तौर पर, इसकी भंगुरता के कारण कांच में तापमान के उतार-चढ़ाव के कारण दरारें पड़ सकती हैं। हालाँकि, कुकटॉप्स में उपयोग किए जाने वाले ग्लास-सिरेमिक में कई अलग-अलग चरण होते हैं, कुछ सकारात्मक प्रदर्शन करते हैं और कुछ अन्य नकारात्मक थर्मल विस्तार प्रदर्शित करते हैं। विभिन्न चरणों का विस्तार एक दूसरे को क्षतिपूर्ति करता है ताकि तापमान के साथ ग्लास-सिरेमिक की मात्रा में ज्यादा परिवर्तन न हो और दरार के गठन से बचा जा सके।

अनुकूलित थर्मल विस्तार के साथ सामग्रियों की आवश्यकता के लिए दैनिक जीवन का उदाहरण दंत बहाली है। यदि फिलिंग दांत से भिन्न मात्रा में फैलती है, उदाहरण के लिए गर्म या ठंडा पेय पीते समय, इससे दांत में दर्द हो सकता है। यदि दंत भराव सकारात्मक और नकारात्मक थर्मल विस्तार वाली सामग्री के मिश्रण वाली मिश्रित सामग्री से बने होते हैं, तो समग्र विस्तार ठीक से [[दाँत तामचीनी]] के अनुरूप हो सकता है।