Предложен материал, сильно изменяющий свою структуру под действием магнитного поля
Ученые – материаловеды всегда ищут способы преобразования одного вида энергии в другой, в частности, с помощью внутреннего строения объектов. Похоже, теоретики предложили еще один материал, хорошо отвечающей этой задаче. По их мнению, материал, содержащий наноразмерные области с атомами различного строения, мог бы реагировать на магнитное поле, изменяя форму до 100 раз активнее, чем традиционные материалы. Эти и аналогичные структуры, «чувствительные» к другим полям, могли бы использоваться в сенсорах полей или движущихся механических устройствах.
Трансформируемые при помощи электромагнитных полей материалы, например пьезоэлектрики, преобразующие механические колебания в электрические сигналы, работают на атомарном уровне. Сжатие и растяжение кристалла смещает положительно и отрицательно заряженные ионы в пределах каждой элементарной кристаллической структуры, создавая поляризацию, которая приводит к возникновению электрического напряжения. Этот эффект используется, например, в звукоснимателях акустических гитар для обнаружения колебаний. Пьезоэлектрические материалы показывают и обратный эффект - преобразуют электрические поля в механическое движение. Некоторые материалы могут работать аналогичным образом с магнитным полем, превращая энергию поля в механическое движение и наоборот. Однако эффект, связанный с магнитным полем, обычно невелик.
Последнее десятилетие научные группы по всему миру были заняты изучением материалов, которые обеспечили бы намного больший отклик за счет внутренних структурных изменений. Самый известный пример такого материала состоит из элементарных кристаллических структур, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, где одна сторона имеет много большую длину, чем другие две.
Обычный кристалл чаще всего состоит из отдельных доменов с различной ориентацией продольной оси. Магнитное поле может немного изменить форму доменов, лучше всего выровненных относительно направления этого поля. Соответственно, изменяется форма и тела в целом.
Но у материалов, изменяющих форму под действием магнитного поля, есть две главные проблемы: во-первых, это внешняя сила со стороны других доменов, которая препятствует расширению; во-вторых, при движении друг относительно друга домены испытывают сопротивление, т.е. в общем случае «отклик» материала на некое воздействие зависит от всей предыдущей истории кристалла.
Для решения этих проблем группа ученых из Rutgers University (США) предложила включить в состав материала частицы нанометрового размера, изменяющиеся под воздействием полей, «закрепленные» внутри твердой матрицы, не испытывающей искажения. Подобный нанокомпозитный материал может сформироваться спонтанно, например, когда некий металлический или керамический сплав нагревается и некоторые его компоненты объединяются в кластеры с химическим составом, отличным от окружающей среды. Каждая такая частица достаточно мала, чтобы содержать один домен; кроме того, ее магнитная ось может быть легко изменена при помощи внешнего магнитного поля.
В работе ученых, опубликованной в журнале Physical Review Letters, приведен расчет для такой двухкомпонентной смеси. Согласно проведенным вычислениям, подобный нанокомпозит может показывать значительный отклик на внешнее магнитное поле, вне зависимости от предыдущей истории воздействий. По мнению исследователей, подобный эффект уже мог быть замечен на эксперименте, но их теоретическая работа поможет поиску реальных материалов с нужными свойствами.
