Железо и хром против трещин
Российские ученые создали термостойкий материал для сверхточной оптики
Ученые создали материалы на основе боратов железа и хрома, которые при нагреве выше комнатной температуры не расширяются, как большинство веществ, а, наоборот, сжимаются. Это редкое свойство позволяет избежать возникновения микротрещин в материалах при перепадах температур, благодаря чему новые соединения можно будет использовать для создания деталей в высокоточных оптических, электронных и спинтронных устройствах.
Оборудование для выращивания монокристаллов: печи муфельные и вертикальные с карбидкремниевыми нагревателями
Фото: Наталья Казак / Институт физики имени Л.В. Киренского СО РАН
Оборудование для выращивания монокристаллов: печи муфельные и вертикальные с карбидкремниевыми нагревателями
Фото: Наталья Казак / Институт физики имени Л.В. Киренского СО РАН
Более того, меняя соотношение железа и хрома, исследователи смогли повысить термостойкость материала и настроить температуру, при которой он одновременно сохраняет магнитные свойства и сжимается. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
Подавляющее большинство известных материалов при нагревании расширяются. Из-за этого детали устройств — зеркала и линзы мощных лазеров, магнитные датчики и чипы процессоров — хоть и незначительно, но изменяются в размерах при повышении температуры даже на 10–20 °C. В результате могут возникать микротрещины и другие нежелательные эффекты, которые приводят к деградации и разрушению элементов и выходу аппаратуры из строя. Чтобы избежать этого, нужны материалы с очень низким или даже отрицательным коэффициентом теплового расширения, когда при повышении температуры образец не меняет своих размеров или немного сжимается. Такое равномерное сжатие не вызывает микротрещин, поскольку они возникают не из-за самого изменения размеров, а из-за разницы в тепловом расширении между соседними материалами в приборе. Однако таких материалов очень мало, и многие из них не подходят для использования в технике из-за плохой устойчивости к высоким температурам.
Ученые из Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (Санкт-Петербург) с коллегами синтезировали кристаллические материалы на основе боратов железа и хрома, которые обладают низким отрицательным коэффициентом расширения. Такие соединения имеют структуру, которая, с одной стороны, обеспечивает надежность материала, а с другой — позволяет гибко настраивать его свойства (например, магнитные и устойчивость к высоким температурам).
Исходными веществами для синтеза служили оксиды железа, хрома и борная кислота. Комбинируя их в разных пропорциях, исследователи получили три образца, которые различались между собой соотношением железа и хрома: чистый борат железа; борат железа, содержащий 14% хрома и 86% железа; чистый борат хрома.
Фото: Yaroslav P. Biryukov et al. / Journal of Materials Chemistry C, 2026.
Фото: Ярослав Бирюков / Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова
Исследователи оценили, как меняется структура новых материалов в диапазоне температур от 20 до 900 °C, а также измерили их магнитные свойства и определили температуры разложения. Оказалось, что при температурах до +30 °C образец со смешанным составом обладает отрицательным объемным коэффициентом расширения, а при нагреве выше этих значений — низким коэффициентом расширения, то есть практически не меняется в размерах и объеме. Причина такого поведения кроется в магнитострикции — изменении размеров (в данном случае — сжатии) материала при изменении его магнитного состояния. Можно представить, что магнитная структура соединения сложена атомными «магнитиками» — крошечными собственными магнитными полями каждого атома, которые можно сравнить с миниатюрными стрелками компаса. Когда вещество нагревается, эти стрелки перестают быть выстроенными в едином порядке, из-за чего магнитная структура разрушается, а кристаллическая решетка материала может претерпевать линейные и объемные изменения, в том числе сжатие по направлениям или в объеме.
Ученые также определили: чем больше хрома содержит материал, тем ниже температура, при которой он теряет магнитный порядок. У чистого соединения с железом и без хрома такая «перестройка» происходила примерно при 77 °C, у смешанного — при 30 °C, а у образца, который содержал только хром,— при –262 °C. Это позволяет настраивать материал под нужные условия работы, вплоть до сверхнизких температур, что важно для космической техники и сверхчувствительных датчиков. Более того, образец, который содержал только хром, оказался более стойким к нагреву: он разлагался при температуре выше 900 °C, тогда как чистый борат железа — при 630 °C.
«Полученные результаты показывают, что частичное замещение железа на хром в таких соединениях позволяет гибко настраивать физические свойства материала. Это открывает путь к созданию эффективных соединений с точно заданным коэффициентом расширения для высокоточных оптических, спинтронных и электронных устройств. В дальнейшем мы планируем сосредоточиться на изучении родственных соединений и расширить выборку таких материалов. Учитывая реальную практическую значимость матрицы бората железа (например, это незаменимый элемент для применений в некоторых синхротронных технологиях), возможно, результаты исследований окажутся полезными или интересными для специалистов, занимающихся разработкой и созданием таких мегаустановок»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ярослав Бирюков, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт — ПИЯФ»).
Автор исследования — Ярослав Бирюков
Фото: Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова.
Автор исследования — Ярослав Бирюков
Фото: Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова.
В исследовании также принимали участие ученые из Казанского федерального университета, Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск), Санкт-Петербургского государственного университета и Сибирского федерального университета (Красноярск).
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда