研究揭開因瓦合金低溫不膨脹之謎

　　因瓦合金的熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內保持固定長度。日本研究人員日前發(fā)表論文說，量子波動是因瓦合金在低溫條件下不膨脹的原因。

　　因瓦合金也叫“不變鋼”，是一種鐵鎳合金，它的熱膨脹系數(shù)極低，在從極低溫度到超過室溫這樣很寬的溫度范圍內都能保持固定長度，適合做測量元件。瑞士物理學家紀堯姆1897年發(fā)現(xiàn)了這種奇異的合金，并憑借此成果獲得1920年諾貝爾物理學獎。

　　日本自然科學研究機構分子科學研究所日前發(fā)布公報說，因瓦合金在室溫以上環(huán)境中不膨脹的原因有科學解釋，但在低溫狀態(tài)下不膨脹，過去一直沒有合理解釋。

　　公報說，科學家魏斯1963年用一個簡單的模型成功解釋了“因瓦效應”，合金里的鐵原子有兩種狀態(tài)：一種是原子半徑大且能量穩(wěn)定的高自旋狀態(tài)，另一種是原子半徑小且不穩(wěn)定的低自旋狀態(tài)。伴隨著溫度的上升，低自旋狀態(tài)的密度增加，原子想要收縮，而另一方面溫度升高使原子的熱振動更加激烈，物質原子間的距離就會拉大，以避免原子之間的碰撞。“因瓦效應”就是上述兩種效果正好相抵消，合金就不會膨脹。魏斯的模型到目前仍被廣泛認可，但是這個模型只能說明，因瓦合金為何在室溫以上的環(huán)境下不膨脹，沒有充分揭示其在低溫條件不膨脹的原因。

　　自然科學研究機構分子科學研究所教授橫山利彥等人利用同步輻射加速器產(chǎn)生的射線束以及X射線吸收精細結構(XAFS)分光法，詳細分析了因瓦合金中的鐵原子和鎳原子的原子間距離隨溫度變化而產(chǎn)生的變化，測定了鐵和鎳局部的熱膨脹，并進行了基于魏斯模型的經(jīng)典力學計算。研究結果表明，低溫環(huán)境下的“因瓦效應”不遵循魏斯模型，其主要成因是量子波動。

　　公報說，因瓦合金具備非常有用的特性，探明帶來這種特性的機制，將有助于今后的材料。