mile米乐m6(中国)官方网站v 世界第一！低温下膨胀的氧化铜纳米磁性颗粒

-可应用于磁力移动的超精密纳米机器，无需担心热膨胀-

这项研究成果的要点

首次发现纳米磁性材料负热膨胀
-100℃低温下热膨胀系数为-11x10^-4/℃达到
应用于复合材料自由控制热膨胀，适用于纳米级超小物体

佐贺大学（院长长谷川辉）、国立先进产业技术综合研究所（AIST、会长吉川博之）、理化学研究所（会长野依良二）在磁性物质（磁性物质）之一的氧化铜（CuO）的晶体尺寸变得纳米级（十亿分之一米）极小的（纳米粒子）时，热膨胀为-11×10^-4/℃。 Jeong Soukwang 教授，佐贺大学科学与工程学院，AIST生产测量技术研究中心研究组组长徐超满、研究员Hiroshi Yamada、RIKEN同步辐射研究中心研究员Kenichi Kato的研究团队（所长石川哲也）大型同步加速器辐射设施SPring-8^※1显示的结果

　“物体受热膨胀，受冷则收缩”的物理现象是人们熟悉的物体基本性质。人们很早就知道，一些被称为因瓦合金（Fe-Ni、Fe-Pt等）的合金的热膨胀系数几乎为零，这种现象已经应用于精密机械中。此外，某些材料的热膨胀可能是负值，近年来，一种陶瓷钨锆（ZrW）已被广泛应用。₂O₈)-26×10^-5/℃。

　这次，研究小组发现，在-100℃以下的环境下，负热膨胀系数比该值大四倍。此外，二氟化锰（MnF₂)纳米粒子也具有负热膨胀系数。迄今为止，磁性纳米粒子的负热膨胀现象是完全未知的，是原理上引起关注的现象。

　未来，通过将负热膨胀材料与其他实用材料相结合，可以自由控制热膨胀系数，我们可以期待在纳米技术和科学中的应用，例如开发无裂纹的新型复合材料。特别是，纳米粒子巨大的负热膨胀系数的实现使得能够应用于从微米到纳米尺度的物体，例如微型机器和纳米机器。由于它是一种磁性材料，因此有潜力应用于磁性移动的纳米机器。

　这项研究成果发表在英国科学杂志``自然纳米技术''（10月19日），电子版也将同时出版。

1。背景

　众所周知，金属、玻璃和陶瓷等物体的基本特性是“物体受热时膨胀，冷却时相反收缩”。然而，人们很早就知道，在一些称为因瓦合金（Fe-Ni、Fe-Pt 等）的合金中，由于热量（热膨胀系数）而导致的膨胀率几乎为零（1896 年，瑞士科学家 Charles Edouard Guillaume：查尔斯·爱德华·纪尧姆发现，于1920年获得诺贝尔奖）。不会因热而膨胀的特性，在不允许有丝毫误差的精密机械中极为有用，被广泛使用。

此外，众所周知，某些材料具有负热膨胀（负热膨胀系数），这意味着它们会随着温度升高而收缩。 1996年陶瓷用钨锆（ZrW₂O₈) 为 -26×10^-5/℃(科学272, 90-92 (1996).）。

目前，零热膨胀系数、低热膨胀系数或负热膨胀系数材料因其在结构材料、薄膜基板、耐热涂层材料以及玻璃、陶瓷和混凝土等复合材料中的高工业实用性而受到关注。

　迄今为止，研究团队已经阐明了大晶体尺寸氧化铜（CuO）单晶的基本性质。我们还设计了一种晶体生长方法气相法^※2氧化铜纯单晶^※3世界上第一次 (大师。资源。公牛。第 33 卷，第 4 期 605-610:1998)。纯单晶的制备表明电荷有序的存在，并且强磁性（电子自旋）、晶体和电荷之间的相关性^※4然而，当晶体尺寸减小到极端纳米尺度时，尚不清楚磁性、晶体和电荷之间的相关性如何变化。

2。研究方法

　通常，将氧化物还原至纳米尺寸是通过溶液合成和低温热解等化学方法来完成的。然而，低温热解往往会产生晶格缺陷，从而降低结晶度，可能隐藏纳米颗粒的原始特性。另一方面，高温处理会导致颗粒尺寸增大至微米（千分之一毫米）。研究小组针对纯氧化物单晶的脆性问题，通过使用一种非常简单的机械方法（称为强力破碎）破坏几厘米大小的纯单晶，获得了高质量的纳米颗粒。这些纳米颗粒是没有晶格缺陷的高质量颗粒（图 1)，可以很容易地展现出CuO纳米颗粒的原始特性。

　以这种方式创建的纳米粒子的结构在大型同步加速器辐射设施中进行了检查春天使用-8共享光束线BL02B2，粉末X射线衍射^※5利用X射线衍射法精确测量纳米粒子的热膨胀系数晶格常数^※6通常可以测量，但由于纳米颗粒较小，用一般的X射线源进行分析，衍射强度较弱，难以精确测量晶格常数。这个问题，春天-8的超高亮度同步加速器X射线来克服这个问题，甚至能够获得足够的数据来分析纳米颗粒。根据温度变化时晶格常数的变化，详细测量了 CuO 纳米粒子的热膨胀系数。₂)和氧化镍(NiO)类似地测量。

3。研究成果

每种物质的磁性物质都是独一无二的磁转变温度^※7之下，微磁体的电子自旋转变为沿相同方向排列的磁相。此次，研究小组发现，作为磁性物质的CuO纳米颗粒在-100℃以下的温度范围内的热膨胀率为-11×10^-4/℃ (图 2）。这就是ZrW，一种众所周知的表现出巨大负热膨胀的材料。₂O₈大四倍此外，由于在磁转变点晶格也会发生变化，MnF在磁性和晶格之间具有很强的相互作用，₂我们发现即使是纳米颗粒也具有负热膨胀系数 (图 3）。另一方面，NiO是一种磁性与晶格之间几乎没有相互作用的磁性材料，没有表现出如此负的热膨胀。因此，磁性和晶格之间的相互作用被认为是产生纳米粒子负热膨胀的机制。

4。未来的期望

　纳米颗粒负热膨胀的发现与纳米技术和纳米科学的发展直接相关。通过将负热膨胀系数材料与其他实用材料相结合，可以自由控制热膨胀系数，包括零热膨胀系数，例如，可以制造出即使在极端环境下也不会破裂的超精密机械和电子零件。特别是纳米粒子巨大的负热膨胀系数的实现，使得将其应用于从微米到纳米尺度的物体，如微机械和纳米机械成为可能。此外，由于它是一种磁性材料，因此有可能应用于磁驱动纳米机器。此次测定的物质CuO纳米粒子表现出负热膨胀的温度范围为-100℃以下的低温区域，但原则上，即使在高温下，与具有高磁转变温度的其他磁性纳米粒子相比，也可以预期负热膨胀。研究团队将继续探索材料，旨在将磁性纳米粒子应用于结构材料、薄膜基板、耐热涂层、玻璃、陶瓷和混凝土等复合材料。

补充说明

图1高分辨率电子显微镜图像显示CuO纳米粒子具有良好的结晶度

纳米颗粒尺寸约为5纳米。晶格的排列形成条纹图案，表明结晶度良好。[返回来源]

图2 改变温度时CuO的体积变化

CuO纳米粒子在磁转变温度以下具有巨大的负热膨胀（红线，体积热膨胀系数= -11x10^-4/℃)。微米颗粒之所以在磁转变点（约-50°C）以下具有恒定体积，是因为存在强磁晶相关性。[返回来源]

图3 改变温度时的MnF₂

类似的负热膨胀是由磁性材料 MnF 引起的，其磁性与晶格之间具有很强的相互作用₂中也观察到了这一点纳米颗粒。[返回来源]

^※1大型同步辐射设施春天-8: RIKEN 在兵库县播磨科学园区拥有一家工厂，可生产世界上最好的同步辐射。春天-8 的名字是S上P霍顿铃声-8GeV同步辐射是带电粒子在磁场中加速时发出的光的一种，特指使用圆形加速器加速时发出的光。[返回来源]
^※2气相法: 最常见的晶体生长方法是熔融法，该方法涉及从高温熔融状态冷却，而从蒸汽中生长晶体的方法称为气相法。在后一种方法中，由于蒸汽不含杂质，因此可以生长高纯度的晶体，即使对于在高温下分解的化合物，也可以使用气相法从低压蒸汽在低温下生长晶体。[返回来源]
^※3纯单晶: 单晶是生长到大尺寸的单晶，纯单晶是杂质和缺陷特别少的单晶。 CuO 是氧化亚铜 (Cu₂O)和氧，因此不可能使用熔融法进行晶体生长。作为改进的方法，有助熔剂法（助熔剂：辅助助熔剂），通过添加辅助助熔剂将熔点降低至分解点以下的温度，然后通过熔融法生长晶体，但由于辅助助熔剂的污染而无法获得纯净的单晶。研究小组采用独特的气相法生长出最大尺寸为4厘米×5厘米×1厘米的纯CuO单晶。[返回来源]
^※4CuO 材料中的强磁性（电子自旋）、晶体和电荷之间的相关性: 研究团队迄今已使用纯CuO单晶来阐明CuO材料中强磁性（电子自旋）、晶体和电荷之间的相关性。具体来说，他们揭示了晶体结构常数与磁转变同时发生变化，并且电极化也会发生。有关详细信息，请参阅下面研究团队的论文。
（1）观察 CuO 中的电荷条纹。物理。莱特牧师85, 5170-5173(2000). （2）简单氧化铜 CuO 中电荷带、电荷-自旋-轨道耦合和相变的证据。J。物理。苏克。日本 70, 1054-1063 (2001). （3）用于探测电子排序和电子自旋相互作用的介电测量。J。应用。物理。 92,2703-2708 (2002). （4）CuO 中的晶格畸变和磁致耦合。物理。修订版 B 69, 104104 (2004). [返回参考源]
^※5粉末 X 射线衍射: 当粉末样品受到 X 射线照射时，衍射 X 射线会出现在各个方向。通过测量这些衍射X射线的强度和角度，可以在不破坏样品的情况下确定其内部结构。[返回来源]
^※6晶格常数: 所有物质均由其组成原子的排列组成，这种原子排列称为晶体结构。晶体结构的尺寸称为晶格常数，它是决定材料的体积、密度和各种其他物理性质的最基本属性。[返回参考源]
^※7磁转变温度: 普通物质在足够高的温度下表现出“顺磁性”，即没有磁性，但低于一定温度时，它们开始表现出磁性，例如“铁磁性”。这个温度称为“磁转变温度”。[返回来源]

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