Nesneleri ısıttığınızda genişlerler. Bu nedenle sıcak hava yükselir ve çok sıcak günlerde köprüler eğilebilir. Sıfıra yakın sıcaklıklardaki su için – Dünya üzerindeki çoğu yaşam için kritik olan – bir istisna vardır, ancak bunun dışında resim neredeyse evrenseldir. 1895’te Charles-Édouard Guillaume, demir ve nikel karışımının ancak şimdi açıklığa kavuşturulmuş olan başka bir istisna olduğunu keşfetti. Cevap, hassas alet imalatında ve altyapı yapımında uygulamalar bulabilir.
Bir katı için alışılmadık bir şekilde buz, donduğu sıvıdan daha az yoğundur ve 4 °C’den (39 °F) daha soğuk olan suyun bu noktaya yaklaşması için soğurken genleşmesi gerekir. Bu, Guillaume tarafından keşfedilen invar olarak bilinen alaşım veya toplu olarak invar olarak bilinen diğer birkaç alaşım için geçerli değildir. İlk olarak, soğuk suyun aksine, Invars ısıtıldığında büzülmez, sadece boyutlarını korur. Ayrıca bunu 0–4 °C su anomalisinden çok daha geniş bir sıcaklık aralığında yaparlar.
Daha da garip olan şey, demir ve nikelin, tıpkı diğer kendine saygı duyan elementler gibi, iki metalin çoğu kombinasyonunda olduğu gibi ısıtıldığında genleşmesidir. Sadece belirli oranlarda, yaklaşık 13 demir atomu ile 7 nikel atomu arasında ısıya maruz kaldığında herhangi bir değişiklik olmaz. Aynı etki, demirin kurşuna veya platine doğru oranı gibi diğer bazı alaşımlarda da gösterilmiştir.
Stefan Lohaus, Caltech’te anomali üzerinde çalışan bir yüksek lisans öğrencisidir. Bunu açıklamak için Lohaus ve danışmanı Profesör Brent Fultz, çoğu malzemenin genleşmesinin nedenine geri dönmek zorunda kaldı. Isı, bir sistemdeki düzensizlik derecesi olan entropi ile ilgilidir. Bir malzemenin sıcaklığı yükseldikçe, atomları, olayların olağan akışı içinde onları birbirinden ayıran, giderek artan düzensiz bir harekete girer.
Bildiğimiz kadarıyla, tüm Invar’lar ana bileşenleri olarak birkaç ferromanyetik elementten birini içerir, bu da manyetizmanın açıklamanın bir parçası olduğunu düşündürür. Guillaume, bu keşif ve orijinal keşfi nedeniyle 1920 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı, ancak manyetizmanın bu etkiye nasıl neden olduğunu hiçbir zaman tam olarak açıklayamadı.
Lawhouse yaptığı açıklamada, “Buna bir göz atmaya karar verdik çünkü hem manyetizmayı hem de atomik titreşimleri ölçebilen çok iyi bir deney düzeneğimiz var” dedi. Kurulum, elmas örsler kullanarak Invar’ı atmosferik basıncın 200.000 katına kadar çıkarmayı ve atomların ne kadar güçlü titreştiğini izlemek için içinden X-ışınları geçirmeyi içeriyordu.
Manyetizma (İnsane Clown Posse’un bir cevap istemesi durumunda) elektron spin durumlarının sonucudur. Ekip, manyetik etkilerin, Invar atomlarının davranışını, entropinin ek ısı ile dengeleneceği şekilde düzenlediğini buldu. Soğuk durumda, invarların dış kabuklarındaki elektronlar, onları ve dolayısıyla atomlarını birbirinden uzaklaştıran spin durumlarını paylaşır.
Daha yüksek sıcaklıklarda düzen bozulur ve bazı elektronlar, atomların birbirine yaklaşmasına izin veren zıt dönüşlü bir duruma geçer. Bunun gerçekleşme derecesi, atomların titreşimlerinin onları birbirinden ayırma hızını tam olarak telafi eder. Bağlantı korunur çünkü atomların titreşimleri sürekli değildir, fonon adı verilen nicemlenmiş modlarda hareket eder.
Lohaus, “Manyetizmanın kasılmaya nasıl neden olduğunu gösteren tam anlamıyla binlerce makale var, ancak invar etkisi için bütüncül bir açıklama yapılmadı” dedi.
İletişim, 3 gigapaskalın üzerindeki basınçlarda bozulur, ancak atmosfer basıncının yaklaşık 30.000 katı veya OceanGate Titan’ın düştüğü basıncın yaklaşık 100 katı olduğu için, bu genellikle günlük yaşamda bir sorun değildir.
Invar’ın davranışı çok yardımcı olabilir. Yüksek sıcaklıklar, metaller beklenenden daha fazla genişlediğinde ciddi sorunlara neden olur ki bu daha yaygın hale gelmektedir. İklim felaketleri sırasında altyapının çalışır durumda tutulması çok önemlidir ve ısıya duyarsız alaşımlar rol oynayabilir.
Onları kullanmak için neden çalıştıklarını anlamamıza gerek olmasa da, bir zamanlar şüpheli bir şekilde sihir gibi görünen şeylere kesinlikle daha büyük bir güven duygusu var. Ek olarak, Lohaus, Fultz ve diğerleri, çalışmalarının diğer mıknatıslanabilir malzemelerdeki termal genleşme anlayışımızı geliştirmesini bekliyor.
Bu yazı Nature Physics adresinden derlenmiştir.