नकारात्मक थर्मल विस्तार: Difference between revisions

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ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) एक असामान्य [[भौतिक रसायन]] प्रक्रिया है जिसमें कुछ पदार्थ गर्म होने पर संकुचित होता है, किन्तु बहुत से अन्य पदार्थ ऐसे भी हैं जो प्रसारित होते हैं। एनटीई के साथ सबसे उपयुक्त पदार्थ 0~4 डिग्री सेल्सियस पर [[पानी|जल]] है। जल का एनटीई वह कारक है जिसके कारण बर्फ तरल जल में डूबने के स्थान पर तैरता है। पदार्थ जो एनटीई से गुजरता है, उसमे संभावित [[ अभियांत्रिकी |अभियांत्रिकी]], [[फोटोनिक्स]], [[ इलेक्ट्रानिक्स |इलेक्ट्रानिक्स]] और [[संरचनात्मक]] अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, यदि कोई ऋणात्मक [[थर्मल विस्तार|ऊष्मीय प्रसार]] पदार्थ को एक सामान्य पदार्थ के साथ मिश्रित करता है जो गर्म होने पर प्रसारित होता है। परिणामस्वरूप इसे ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में उपयोग करना संभव हो सकता है जो मिश्रित पदार्थ बनाने की अनुमति दे सकता है या शून्य ऊष्मीय प्रसार के निकट भी हो सकता है। .
ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) एक असामान्य [[भौतिक रसायन]] प्रक्रिया है जिसमें कोई पदार्थ गर्म होने पर संकुचित होता है, किन्तु बहुत से अन्य पदार्थ ऐसे भी हैं जो अत्यधिक प्रसारित होते हैं। एनटीई के साथ सबसे उपयुक्त पदार्थ 0~4 डिग्री सेल्सियस पर [[पानी|जल]] है। जल का एनटीई वह कारक है जिसके कारण बर्फ जल में डूबने के स्थान पर तैरता है। वह पदार्थ जो एनटीई से गुजरता है, उसमे संभावित [[ अभियांत्रिकी |अभियांत्रिकी]], [[फोटोनिक्स]], [[ इलेक्ट्रानिक्स |इलेक्ट्रानिक्स]] और [[संरचनात्मक]] अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, यदि कोई ऋणात्मक [[थर्मल विस्तार|ऊष्मीय प्रसार]] पदार्थ को एक सामान्य पदार्थ के साथ मिश्रित करता है जो गर्म होने पर प्रसारित होता है तो परिणामस्वरूप इसे ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में उपयोग करना संभव हो सकता है, जो मिश्रित पदार्थ बनाने की अनुमति दे सकता है या शून्य ऊष्मीय प्रसार के निकट भी हो सकता है। .


== ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार की उत्पत्ति ==
== ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार की उत्पत्ति ==


ऐसी कई भौतिक प्रक्रियाएँ हैं जो बढ़ते तापमान के साथ संकुचन का कारण बन सकती हैं, जिनमें अनुप्रस्थ कंपन मोड, कठोर यूनिट मोड और [[चरण संक्रमण]] सम्मिलित हैं।
ऐसी कई भौतिक प्रक्रियाएँ हैं जो बढ़ते तापमान के साथ संकुचन का कारण बन सकती हैं, जिनमें अनुप्रस्थ आवृत्ति प्रणाली, कठोर यूनिट प्रणाली और [[चरण संक्रमण]] सम्मिलित हैं।


2011 में, लियू एट अल द्वारा<ref>{{cite journal|doi=10.1016/j.scriptamat.2011.07.001|title=ठोस पदार्थों में नकारात्मक तापीय विस्तार की घटना की उत्पत्ति|year=2011|last1=Liu|first1=Zi-Kui|last2=Wang|first2=Yi|last3=Shang|first3=Shun-Li|journal=Scripta Materialia|volume=65|issue=8|pages=664–667}}</ref> दिखाया गया है कि एनटीई घटना उच्च दबाव के अस्तित्व से उत्पन्न होती है, उच्च एन्ट्रापी के साथ छोटी मात्रा के विन्यास ऊष्मीय उतार-चढ़ाव के माध्यम से स्थिर चरण मैट्रिक्स में सम्मिलित उनके विन्यास के साथ। वे विशाल सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार (सीरियम में) और शून्य और अनंत ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (में) दोनों की भविष्यवाणी करने में सक्षम थे। {{chem|Fe|3|Pt}}).<ref>{{Cite journal|doi=10.1038/srep07043|pmid=25391631|pmc=4229665|title=एंट्रॉपी द्वारा विनियमित थर्मल विस्तार विसंगति|journal=Scientific Reports|volume=4|pages=7043|year=2014|last1=Liu|first1=Zi-Kui|last2=Wang|first2=Yi|last3=Shang|first3=Shunli|bibcode=2014NatSR...4E7043L}}</ref> वैकल्पिक रूप से, बड़े ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार का परिणाम आंतरिक सूक्ष्म आकारिकी के प्रारूप से हो सकता है।<ref>{{Cite journal|doi=10.1098/rspa.2019.0468|title=बड़े आइसोट्रोपिक नकारात्मक थर्मल विस्तार के साथ सूक्ष्म संरचित माध्यम|journal=Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|volume=475|pages=7043|year=2019|last1=Cabras|first1=Luigi|last2=Brun|first2=Michele|last3=Misseroni|first3=Diego|issue=2232|pmid=31892835|pmc=6936614|bibcode=2019RSPSA.47590468C|doi-access=free}}</ref>
2011 में, लियू एट अल द्वारा यह<ref>{{cite journal|doi=10.1016/j.scriptamat.2011.07.001|title=ठोस पदार्थों में नकारात्मक तापीय विस्तार की घटना की उत्पत्ति|year=2011|last1=Liu|first1=Zi-Kui|last2=Wang|first2=Yi|last3=Shang|first3=Shun-Li|journal=Scripta Materialia|volume=65|issue=8|pages=664–667}}</ref> दिखाया गया है कि एनटीई घटना उच्च दबाव के अस्तित्व से उत्पन्न होती है, साथ ही उच्च एन्ट्रापी के साथ छोटी मात्रा के विन्यास ऊष्मीय उतार-चढ़ाव के माध्यम से स्थिर चरण आव्यूह में सम्मिलित उनके विन्यास के साथ वे विशाल सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार (सीरियम में) और शून्य और अनंत ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (में) दोनों की पूर्वसंकल्पना करने में सक्षम थे। {{chem|Fe|3|Pt}}<ref>{{Cite journal|doi=10.1038/srep07043|pmid=25391631|pmc=4229665|title=एंट्रॉपी द्वारा विनियमित थर्मल विस्तार विसंगति|journal=Scientific Reports|volume=4|pages=7043|year=2014|last1=Liu|first1=Zi-Kui|last2=Wang|first2=Yi|last3=Shang|first3=Shunli|bibcode=2014NatSR...4E7043L}}</ref> वैकल्पिक रूप से, बड़े ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार का परिणाम और आंतरिक सूक्ष्म आकारिकी के प्रारूप से सम्बद्ध हो सकता है। एनटीई के साथ सबसे उपयुक्त पदार्थ 0~4 डिग्री सेल्सियस पर [[पानी|जल]] है।<ref>{{Cite journal|doi=10.1098/rspa.2019.0468|title=बड़े आइसोट्रोपिक नकारात्मक थर्मल विस्तार के साथ सूक्ष्म संरचित माध्यम|journal=Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|volume=475|pages=7043|year=2019|last1=Cabras|first1=Luigi|last2=Brun|first2=Michele|last3=Misseroni|first3=Diego|issue=2232|pmid=31892835|pmc=6936614|bibcode=2019RSPSA.47590468C|doi-access=free}}</ref>




== संकुलित संरचना प्रणाली में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार ==
== संकुलित संरचना प्रणाली में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार ==


ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार सामान्यतः गैर-संकुलित संरचना प्रणाली में दिशात्मक पारस्परिक सम्बन्ध (जैसे बर्फ, [[ग्राफीन]], आदि) और जटिल यौगिकों (जैसे {{Chem|Cu|2|O}}, {{Chem|Zr|W|2|O|8}}, बीटा-क्वार्ट्ज, जिओलाइट्स आदि) हालाँकि, एक पेपर में<ref name=Rechtsman>{{Citation
ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार सामान्यतः गैर-संकुलित संरचना प्रणाली में दिशात्मक पारस्परिक सम्बन्ध (जैसे बर्फ, [[ग्राफीन]], आदि) और जटिल यौगिकों (जैसे {{Chem|Cu|2|O}}, {{Chem|Zr|W|2|O|8}}, बीटा-क्वार्ट्ज, जिओलाइट्स आदि) जो मिश्रित पदार्थ बनाने की अनुमति दे सकता है या यह शून्य ऊष्मीय प्रसार के निकट भी हो सकता है। हालाँकि, एक पृष्ठ में<ref name=Rechtsman>{{Citation
  | title =Negative thermal expansion in single-component systems with isotropic interactions
  | title =Negative thermal expansion in single-component systems with isotropic interactions
  | doi =10.1021/jp076859l
  | doi =10.1021/jp076859l
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  | last2 = Stillinger | first2 = F.H.
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  }}</ref> यह दिखाया गया था कि ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) को सिंगल-कंपोनेंट क्लोज-पैक लैटिस में युग्मक सेंट्रल फोर्स इंटरैक्शन के साथ भी महसूस किया जाता है। अंतर-परमाण्विक विभव के लिए एनटीई व्यवहार को उत्पन्न करने वाली विभव के लिए निम्नलिखित पर्याप्त शर्त <math> \Pi(x)</math>, संतुलन दूरी पर <math> a </math> प्रस्तावित है,
  }}</ref> यह दिखाया गया था कि ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) को एकल-अवयव, वर्णित-पैक लैटिस में युग्मक केंद्रीय पारस्परिक बल प्रक्रिया के साथ भी अनुभव किया जाता है। अंतर-परमाण्विक विभव के लिए एनटीई व्यवहार को उत्पन्न करने वाली विभव के लिए निम्नलिखित पर्याप्त शर्त <math> \Pi(x)</math>, संतुलन दूरी पर <math> a </math> प्रस्तावित है,
<math display="block"> \Pi'''(a) >  0,</math>
<math display="block"> \Pi'''(a) >  0,</math>
जहाँ <math> \Pi'''(a)</math> संतुलन बिंदु पर अंतर-परमाणु विभव के तीसरे व्युत्पन्न के लिए आशुलिपि है:
जहाँ <math> \Pi'''(a)</math> संतुलन बिंदु पर अंतर-परमाणु विभव के तीसरे व्युत्पन्न के लिए आशुलिपि है:
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यह शर्त (i) 1D में आवश्यक और पर्याप्त है और (ii) पर्याप्त है, लेकिन 2D और 3D में आवश्यक नहीं है। एक पेपर में अनुमानित आवश्यक और पर्याप्त स्थिति प्राप्त होता है<ref name=Kuzkin>{{Citation
यह शर्त (i) 1D में आवश्यक और पर्याप्त है, लेकिन (ii) 2D और 3D में आवश्यक नहीं है। एक पृष्ठ में अनुमानित आवश्यक और पर्याप्त निम्न स्थिति प्राप्त होती है।<ref name=Kuzkin>{{Citation
  | title = Comment on 'Negative Thermal Expansion in Single-Component Systems with Isotropic Interactions'
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<math display="block"> \Pi'''(a)a > -(d-1)\Pi''(a),</math>
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जहाँ <math> d </math> अंतरिक्ष आत्मीयता है। इस प्रकार 2डी और 3डी में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार संकुलित संरचना प्रणाली में युग्मक पारस्परिक क्रिया के साथ महसूस किया जाता है। तब भी जब विभव का तीसरा व्युत्पन्न शून्य या ऋणात्मक भी होता है। ध्यान दें कि एक-आयामी और बहुआयामी प्रकरण गुणात्मक रूप से भिन्न होते हैं। 1D में ऊष्मीय प्रसार केवल अंतरापरमाण्विक विभव की प्रकृति के कारण होता है। इसलिए, ऊष्मीय प्रसार गुणांक का संकेत विभव के तीसरे व्युत्पन्न के संकेत से निर्धारित होता है। बहुआयामी प्रकरण में ज्यामितीय गैर-रैखिकता भी सम्मिलित है, अर्थात संनादी अंतरापरमाणुक विभव के प्रकरण में भी जाली कंपन गैर-रैखिक का एक रूप हैं। यह गैर-रैखिकता ऊष्मीय प्रसार में योगदान करती है। इसलिए, बहुआयामी प्रकरण में दोनों <math>\Pi''</math> और <math>\Pi'''</math> ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार की स्थिति में सम्मिलित हैं।
जहाँ <math> d </math> अंतरिक्ष आत्मीयता का एक भाग है, इस प्रकार 2डी और 3डी में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार संकुलित संरचना प्रणाली में युग्मक पारस्परिक क्रिया के साथ अनुभव किया जाता है। तब भी जब [[विभवांतर (वोल्टता)|विभव]] का तीसरा व्युत्पन्न शून्य या ऋणात्मक होता है तो ध्यान दें कि एक-आयामी और बहुआयामी प्रकरण गुणात्मक रूप से भिन्न होते हैं। 1D में ऊष्मीय प्रसार केवल [[अंतरापरमाण्विक]] विभव की प्रकृति के कारण होता है, इसलिए ऊष्मीय प्रसार गुणांक का संकेत विभव के तीसरे व्युत्पन्न के संकेत से निर्धारित होता है। बहुआयामी प्रकरण में ज्यामितीय गैर-रैखिकता भी सम्मिलित है, अर्थात संनादी अंतरापरमाणुक विभव के प्रकरण में भी जाली आवृत्ति गैर-रैखिक का एक रूप हैं। यह गैर-रैखिकता ऊष्मीय प्रसार में समर्थन करती है। इसलिए, बहुआयामी प्रकरण में दोनों <math>\Pi''</math> और <math>\Pi'''</math> ऋणात्मक [[ऊष्मीय प्रसार]] की स्थिति में सम्मिलित हैं।


== पदार्थ ==
== पदार्थ ==


ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार को प्रदर्शित करने के लिए अनुमानतः सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली सामग्रियों में से एक [[जिरकोनियम टंगस्टेट]] ({{Chem|Zr|W|2|O|8}}) है। यह यौगिक 0.3 से 1050 K के तापमान परिसीमा में लगातार संकुचित होता है (उच्च तापमान पर पदार्थ सड़ जाता है)।<ref>{{cite journal|title=Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in {{Chem|Zr|W|2|O|8}}|journal=Science|year=1996|volume=272|issue=5258|pages=90–92|doi= 10.1126/science.272.5258.90|bibcode = 1996Sci...272...90M|last1=Mary|first1=T. A.|last2=Evans|first2=J. S. O.|last3=Vogt|first3=T.|last4=Sleight|first4=A. W. |s2cid=54599739}}</ref> एनटीई व्यवहार प्रदर्शित करने वाले अन्य पदार्थ में अन्य सदस्य सम्मिलित हैं। {{chem|A|M|2|O|8}} पदार्थ का समूह जहाँ A = {{chem|Zr}} या {{chem|Hf}}, M = {{chem|Mo}} या {{chem|W}}) और {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}}, {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}} केवल 350 से 400 [[केल्विन]] से प्रारम्भ होने वाले उनके उच्च तापमान चरण में<ref>{{Cite journal|last1=Hisashige|first1=Tetsuo|last2=Yamaguchi|first2=Teppei|last3=Tsuji|first3=Toshihide|last4=Yamamura|first4=Yasuhisa|date=2006|title=Phase Transition of Zr1-xHfxV2O7 Solid Solutions Having Negative Thermal Expansion|journal=Journal of the Ceramic Society of Japan|volume=114|issue=1331|pages=607–611|doi=10.2109/jcersj.114.607|issn=0914-5400|doi-access=free}}</ref> {{chem|A|2|({{Chem|M|O|4}})|3}} भी नियंत्रणीय ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार का एक उदाहरण है। [[ घन क्रिस्टल प्रणाली |घन क्रिस्टल प्रणाली]] पदार्थ जैसे {{Chem|Zr|W|2|O|8}} और भी {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}} विशेष रूप से इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के लिए कीमती हैं क्योंकि वे [[आइसोट्रॉपी]] एनटीई प्रदर्शित करते हैं अर्थात एनटीई तीनों [[आयाम]] में समान है जिससे उन्हें ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में लागू करना आसान हो जाता है।<ref name=":0">{{Cite journal|last1=Dove|first1=Martin T|last2=Fang|first2=Hong|date=2016-06-01|title=Negative thermal expansion and associated anomalous physical properties: review of the lattice dynamics theoretical foundation|journal=Reports on Progress in Physics|volume=79|issue=6|pages=066503|doi=10.1088/0034-4885/79/6/066503|pmid=27177210|bibcode=2016RPPh...79f6503D|s2cid=6304108 |issn=0034-4885}}</ref>
ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार को प्रदर्शित करने के लिए अनुमानतः सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली सामग्रियों में से एक [[जिरकोनियम टंगस्टेट]] ({{Chem|Zr|W|2|O|8}}) है। यह यौगिक 0.3 से 1050 K के तापमान परिसीमा में लगातार संकुचित होता है (उच्च तापमान पर पदार्थ निष्क्रिय हो जाता है)।<ref>{{cite journal|title=Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in {{Chem|Zr|W|2|O|8}}|journal=Science|year=1996|volume=272|issue=5258|pages=90–92|doi= 10.1126/science.272.5258.90|bibcode = 1996Sci...272...90M|last1=Mary|first1=T. A.|last2=Evans|first2=J. S. O.|last3=Vogt|first3=T.|last4=Sleight|first4=A. W. |s2cid=54599739}}</ref> एनटीई व्यवहार प्रदर्शित करने वाले अन्य पदार्थ में अन्य सदस्य सम्मिलित हैं। {{chem|A|M|2|O|8}} पदार्थ का समूह जहाँ A = {{chem|Zr}} या {{chem|Hf}}, M = {{chem|Mo}} या {{chem|W}}) और {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}}, {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}} केवल 350 से 400 [[केल्विन]] से प्रारम्भ होने वाले उनके उच्च तापमान चरण में<ref>{{Cite journal|last1=Hisashige|first1=Tetsuo|last2=Yamaguchi|first2=Teppei|last3=Tsuji|first3=Toshihide|last4=Yamamura|first4=Yasuhisa|date=2006|title=Phase Transition of Zr1-xHfxV2O7 Solid Solutions Having Negative Thermal Expansion|journal=Journal of the Ceramic Society of Japan|volume=114|issue=1331|pages=607–611|doi=10.2109/jcersj.114.607|issn=0914-5400|doi-access=free}}</ref> {{chem|A|2|({{Chem|M|O|4}})|3}} भी नियंत्रणीय ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार का एक उदाहरण है। [[ घन क्रिस्टल प्रणाली |घन क्रिस्टल प्रणाली]] पदार्थ जैसे {{Chem|Zr|W|2|O|8}} और भी {{chem|Hf|V|2|O|7}} और {{chem|Zr|V|2|O|7}} विशेष रूप से इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के लिए कीमती हैं क्योंकि वे [[आइसोट्रॉपी]] एनटीई प्रदर्शित करते हैं अर्थात एनटीई तीनों [[आयाम]] में समान है जिससे उन्हें ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में लागू करना आसान हो जाता है।<ref name=":0">{{Cite journal|last1=Dove|first1=Martin T|last2=Fang|first2=Hong|date=2016-06-01|title=Negative thermal expansion and associated anomalous physical properties: review of the lattice dynamics theoretical foundation|journal=Reports on Progress in Physics|volume=79|issue=6|pages=066503|doi=10.1088/0034-4885/79/6/066503|pmid=27177210|bibcode=2016RPPh...79f6503D|s2cid=6304108 |issn=0034-4885}}</ref>


साधारण बर्फ एनटीई को अपने हेक्सागोनल और क्यूबिक चरणों में बहुत कम तापमान (-200 डिग्री सेल्सियस से नीचे) पर प्रदर्शित करता है।<ref name="ice_NTE"><nowiki>{{cite journal|doi=10.1107/S0108768194004933|title=जाली स्थिरांक और थर्मल विस्तार </nowiki>{{रसायन|H|2|O}} and {{Chem|D|2|O}} ice Ih between 10 and 265 K|journal=Acta Crystallographica Section B|year=1994|volume= 50|pages=644–648|issue=6|last1=Röttger|first1=K.|last2=Endriss|first2=A.|last3=Ihringer|first3=J.|last4=Doyle|first4=S.|last5=Kuhs|first5=W. F.}</ref> अपने तरल रूप में, शुद्ध जल 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप प्रसारकता भी प्रदर्शित करता है।
साधारण बर्फ एनटीई को अपने हेक्सागोनल और क्यूबिक चरणों में बहुत कम तापमान (-200 डिग्री सेल्सियस से नीचे) पर प्रदर्शित करता है।<ref name="ice_NTE"><nowiki>{{cite journal|doi=10.1107/S0108768194004933|title=जाली स्थिरांक और थर्मल विस्तार </nowiki>{{रसायन|H|2|O}} and {{Chem|D|2|O}} ice Ih between 10 and 265 K|journal=Acta Crystallographica Section B|year=1994|volume= 50|pages=644–648|issue=6|last1=Röttger|first1=K.|last2=Endriss|first2=A.|last3=Ihringer|first3=J.|last4=Doyle|first4=S.|last5=Kuhs|first5=W. F.}</ref> अपने तरल रूप में, शुद्ध जल 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप प्रसारकता भी प्रदर्शित करता है। जहाँ <math> d </math> अंतरिक्ष आत्मीयता का एक भाग है, इस प्रकार 2डी और 3डी में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार संकुलित संरचना प्रणाली में युग्मक पारस्परिक क्रिया के साथ अनुभव किया जाता है।


ALLVAR मिश्रधातु 30, एक टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातु, 20 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मीय प्रसार के -30 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस तात्कालिक गुणांक के साथ एनटीई को एक व्यापक तापमान सीमा पर प्रदर्शित करता है। <ref>{{cite journal |last1=Monroe |first1=James A. |editor2-first=Roland |editor2-last=Geyl |editor1-first=Ramón |editor1-last=Navarro |title=Negative thermal expansion ALLVAR alloys for telescopes |journal=Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation II |date=10 July 2018 |volume=III |pages=26 |doi=10.1117/12.2314657|bibcode=2018SPIE10706E..0RM |isbn=9781510619654 |s2cid=140068490 }}</ref> ALLVAR मिश्र धातु 30 का ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार अनिसोट्रोपिक है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पदार्थ का उपयोग प्रकाशिकी, एयरोस्पेस और क्रायोजेनिक्स उद्योगों में ऑप्टिकल स्पेसर्स के रूप में किया जाता है जो ऊष्मीय डिफोकस, अल्ट्रा-स्थिर स्ट्रट्स और वाशर को ऊष्मीयी-स्थिर बोल्ट वाले जोड़ों से रोकते हैं। <ref>{{Cite web |title=Products & Applications |url=https://allvaralloys.com/negative-coefficient-of-thermal-expansion-products-applications/ |access-date=2022-04-12 |website=ALLVAR Alloys |language=en-US}}</ref>
अलवर (ALLVAR) मिश्रधातु 30 एक टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातु 20 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मीय प्रसार के -30 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस तात्कालिक गुणांक के साथ एनटीई को एक व्यापक तापमान सीमा पर प्रदर्शित करता है। <ref>{{cite journal |last1=Monroe |first1=James A. |editor2-first=Roland |editor2-last=Geyl |editor1-first=Ramón |editor1-last=Navarro |title=Negative thermal expansion ALLVAR alloys for telescopes |journal=Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation II |date=10 July 2018 |volume=III |pages=26 |doi=10.1117/12.2314657|bibcode=2018SPIE10706E..0RM |isbn=9781510619654 |s2cid=140068490 }}</ref> अलवर मिश्र धातु 30 का ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार विषमदैशिक है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पदार्थ का उपयोग प्रकाशिकी, वायुमंडल और निम्रतापिकी उद्योगों में प्रकाशीय स्पेसर्स के रूप में किया जाता है जो ऊष्मीय डिफोकस, अल्ट्रा-स्थिर स्ट्रट्स और वाशर को ऊष्मीय-स्थिर बोल्ट वाले जोड़ों से रोकते हैं। <ref>{{Cite web |title=Products & Applications |url=https://allvaralloys.com/negative-coefficient-of-thermal-expansion-products-applications/ |access-date=2022-04-12 |website=ALLVAR Alloys |language=en-US}}</ref>


कार्बन फाइबर एनटीई को 20°C और 500°C के बीच दर्शाता है।  
कार्बन फाइबर एनटीई को 20°C और 500°C के बीच दर्शाता है। <ref>{{cite book |last1=Kude |first1=Y. |last2=Sohda |first2=Y. |editor1-last=Shiota |editor1-first=Ichiro |editor2-last=Miyamoto |editor2-first=Yoshinari |title=Functionally Graded Materials 1996 |date=1997 |publisher=Elsevier Science B.V. |isbn=9780444825483 |pages=239–244 |url=https://doi.org/10.1016/B978-044482548-3/50040-8 |accessdate=17 September 2020 |chapter=Thermal management of carbon-carbon composites by functionally graded fiber arrangement technique|doi=10.1016/B978-044482548-3/50040-8 }}</ref> कार्बन फाइबर के प्लास्टिक के अनुपात को समायोजित करके और कार्बन फाइबर के उन्मुखीकरण को समायोजित करके विशिष्ट अनुप्रयोगों/शर्तों के लिए कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक घटकों के सीटीई को तैयार करने के लिए इस विशेषता का उपयोग जटिल-सहिष्णुता वाले वायुमंडल अनुप्रयोगों में किया जाता है। अपने तरल रूप में, शुद्ध जल 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप प्रसारकता भी प्रदर्शित करता है।
<ref>{{cite book |last1=Kude |first1=Y. |last2=Sohda |first2=Y. |editor1-last=Shiota |editor1-first=Ichiro |editor2-last=Miyamoto |editor2-first=Yoshinari |title=Functionally Graded Materials 1996 |date=1997 |publisher=Elsevier Science B.V. |isbn=9780444825483 |pages=239–244 |url=https://doi.org/10.1016/B978-044482548-3/50040-8 |accessdate=17 September 2020 |chapter=Thermal management of carbon-carbon composites by functionally graded fiber arrangement technique|doi=10.1016/B978-044482548-3/50040-8 }}</ref> कार्बन फाइबर के प्लास्टिक के अनुपात को समायोजित करके और कार्बन फाइबर के उन्मुखीकरण को समायोजित करके विशिष्ट अनुप्रयोगों / शर्तों के लिए कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक घटकों के सीटीई को तैयार करने के लिए इस संपत्ति का उपयोग तंग-सहिष्णुता वाले एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में किया जाता है। भाग।


क्वार्ट्ज ({{chem|Si|O|2}}) और कई जिओलाइट्स भी निश्चित तापमान सीमाओं पर एनटीई दिखाते हैं।<ref name="zeolite1">{{cite journal|doi=10.1039/b002950p|title=जिओलाइट्स में नकारात्मक थर्मल विस्तार की व्यापक घटना|journal= Journal of Materials Chemistry|year= 2001|volume= 11|pages=212–216|last1=Lightfoot|first1=Philip|last2=Woodcock|first2=David A.|last3=Maple|first3=Martin J.|last4=Villaescusa|first4=Luis A.|last5=Wright|first5=Paul A.}}</ref><ref name="zeolite2">{{cite journal|last1=Attfield|first1=Martin P.|title=सिलिसस फॉजासाइट में मजबूत नकारात्मक थर्मल विस्तार|journal= Chemical Communications|year=1998|pages=601–602|doi=10.1039/A707141H|issue=5}}</ref> लगभग 18 K और 120 K के बीच के तापमान के लिए काफी शुद्ध सिलिकॉन (Si) में ऊष्मीय प्रसार का एक ऋणात्मक गुणांक होता है।<ref>{{cite book | editor1-first = William C. |editor1-last= O'Mara |editor2-first = Robert B. |editor2-last=Herring | editor3-first = Lee P. |editor3-last=Hunt
क्वार्ट्ज ({{chem|Si|O|2}}) और कई जिओलाइट्स भी निश्चित तापमान सीमाओं पर एनटीई दिखाते हैं।<ref name="zeolite1">{{cite journal|doi=10.1039/b002950p|title=जिओलाइट्स में नकारात्मक थर्मल विस्तार की व्यापक घटना|journal= Journal of Materials Chemistry|year= 2001|volume= 11|pages=212–216|last1=Lightfoot|first1=Philip|last2=Woodcock|first2=David A.|last3=Maple|first3=Martin J.|last4=Villaescusa|first4=Luis A.|last5=Wright|first5=Paul A.}}</ref><ref name="zeolite2">{{cite journal|last1=Attfield|first1=Martin P.|title=सिलिसस फॉजासाइट में मजबूत नकारात्मक थर्मल विस्तार|journal= Chemical Communications|year=1998|pages=601–602|doi=10.1039/A707141H|issue=5}}</ref> लगभग 18 K और 120 K के बीच के तापमान के लिए काफी शुद्ध सिलिकॉन (Si) में ऊष्मीय प्रसार का एक ऋणात्मक गुणांक होता है।<ref>{{cite book | editor1-first = William C. |editor1-last= O'Mara |editor2-first = Robert B. |editor2-last=Herring | editor3-first = Lee P. |editor3-last=Hunt
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| isbn = 978-0-8155-1237-0 | accessdate = 2010-07-11| first =W. Murray|last= Bullis| chapter=Chapter 6 }}</ref> क्यूबिक [[स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड]] में यह गुण होता है जिसे फ्लोराइड आयनों के कार्तीय दोलन द्वारा संदर्भित किया जाता है। [[फ्लोराइड आयन]] के प्रवणता वाले तनाव में संग्रहीत ऊर्जा [[विस्थापन (जहाज)|विस्थापन]] प्रणाली की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है, अधिकांश अन्य सामग्रियों के विपरीत जहां यह विस्थापन के वर्ग के समानुपाती होता है। एक फ्लोरीन परमाणु दो स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है, और जैसे ही तापमान बढ़ता है, फ्लोरीन अपने बंधों के लंबवत दोलन करता है। यह स्कैंडियम परमाणुओं को पदार्थ में एक साथ आकर्षित करता है और यह संकुचित होता है।<ref name="woo">{{cite web|url=http://www.physorg.com/news/2011-11-incredible-material-reveal-scandium-trifluoride.html|title=An incredible shrinking material: Engineers reveal how scandium trifluoride contracts with heat|last=Woo|first=Marcus|date=7 November 2011|publisher=Physorg|accessdate=8 November 2011}}</ref> {{chem|Sc|F|3}} इस विशेषता को 10 से 1100 K के ऊपर प्रदर्शित करता है जो सामान्य सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार को दर्शाता है।<ref name="greve">{{cite journal|last=Greve|first=Benjamin K.|author2=Kenneth L. Martin |author3=Peter L. Lee |author4=Peter J. Chupas |author5=Karena W. Chapman |author6=Angus P. Wilkinson |date=19 October 2010|title=Pronounced negative thermal expansion from a simple structure: cubic {{Chem|Sc|F|3}}|journal=Journal of the American Chemical Society|volume=132|issue=44|pages=15496–15498|doi=10.1021/ja106711v|pmid=20958035}}</ref> शेप मेमोरी एलॉय जैसे NiTi पदार्थ का एक नवीन वर्ग है जो शून्य और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करता है।<ref>{{Cite journal|doi=10.1107/S0108768194004933|title=Lattice constants and thermal expansion of H2O and D2O ice Ihbetween 10 and 265 K|journal=Acta Crystallographica Section B|volume=50|issue=6|pages=644–648|year=1994|last1=Röttger|first1=K.|last2=Endriss|first2=A.|last3=Ihringer|first3=J.|last4=Doyle|first4=S.|last5=Kuhs|first5=W. F.}}</ref><ref>
क्यूबिक [[स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड]] में यह गुण होता है जिसे फ्लोराइड आयनों के क्वार्टिक दोलन द्वारा समझाया जाता है। फ्लोराइड आयन के झुकने वाले तनाव में संग्रहीत ऊर्जा विस्थापन कोण की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है, अधिकांश अन्य सामग्रियों के विपरीत जहां यह विस्थापन के वर्ग के समानुपाती होता है। एक फ्लोरीन परमाणु दो स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है, और जैसे ही तापमान बढ़ता है, फ्लोरीन अपने बांडों के लंबवत दोलन करता है। यह स्कैंडियम परमाणुओं को पूरी पदार्थ में एक साथ खींचता है और यह संकुचित होता है।<ref name="woo">{{cite web|url=http://www.physorg.com/news/2011-11-incredible-material-reveal-scandium-trifluoride.html|title=An incredible shrinking material: Engineers reveal how scandium trifluoride contracts with heat|last=Woo|first=Marcus|date=7 November 2011|publisher=Physorg|accessdate=8 November 2011}}</ref> {{chem|Sc|F|3}} इस संपत्ति को 10 से 1100 K के ऊपर प्रदर्शित करता है जो सामान्य सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार को दर्शाता है।<ref name="greve">{{cite journal|last=Greve|first=Benjamin K.|author2=Kenneth L. Martin |author3=Peter L. Lee |author4=Peter J. Chupas |author5=Karena W. Chapman |author6=Angus P. Wilkinson |date=19 October 2010|title=Pronounced negative thermal expansion from a simple structure: cubic {{Chem|Sc|F|3}}|journal=Journal of the American Chemical Society|volume=132|issue=44|pages=15496–15498|doi=10.1021/ja106711v|pmid=20958035}}</ref> शेप मेमोरी एलॉय जैसे NiTi पदार्थ का एक नवजात वर्ग है जो शून्य और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करता है।<ref>{{Cite journal|doi=10.1107/S0108768194004933|title=Lattice constants and thermal expansion of H2O and D2O ice Ihbetween 10 and 265 K|journal=Acta Crystallographica Section B|volume=50|issue=6|pages=644–648|year=1994|last1=Röttger|first1=K.|last2=Endriss|first2=A.|last3=Ihringer|first3=J.|last4=Doyle|first4=S.|last5=Kuhs|first5=W. F.}}</ref><ref>
{{Cite journal|doi=10.1016/j.actamat.2016.10.054|title=Origin of zero and negative thermal expansion in severely-deformed superelastic Ni ''Ti'' alloy|journal=Acta Materialia|volume=124|pages=79–92|year=2017|last1=Ahadi|first1=A.|last2=Matsushita|first2=Y.|last3=Sawaguchi|first3=T.|last4=Sun|first4=Q.P.|last5=Tsuchiya|first5=K.|bibcode=2017AcMat.124...79A }}</ref>
{{Cite journal|doi=10.1016/j.actamat.2016.10.054|title=Origin of zero and negative thermal expansion in severely-deformed superelastic Ni ''Ti'' alloy|journal=Acta Materialia|volume=124|pages=79–92|year=2017|last1=Ahadi|first1=A.|last2=Matsushita|first2=Y.|last3=Sawaguchi|first3=T.|last4=Sun|first4=Q.P.|last5=Tsuchiya|first5=K.|bibcode=2017AcMat.124...79A }}</ref>


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== अनुप्रयोग ==
== अनुप्रयोग ==


(असंगत) ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के साथ (साधारण) सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार के साथ एक पदार्थ की समग्र पदार्थ बनाने से कंपोजिट के ऊष्मीय प्रसार या यहां तक ​​​​कि शून्य के निकट ऊष्मीय प्रसार के साथ कंपोजिट होने की अनुमति मिल सकती है। यदि [[तापमान]] में परिवर्तन होता है तो ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार एक दूसरे को एक निश्चित मात्रा में क्षतिपूर्ति करते हैं। समग्र [[थर्मल विस्तार गुणांक|ऊष्मीय प्रसार गुणांक]] (सीटीई) को एक निश्चित मूल्य पर सिलाई करना समग्र के ऊष्मीय प्रसार में योगदान देने वाली विभिन्न सामग्रियों के [[ आयतन |आयतन]] अंशों को अलग करके प्राप्त किया जा सकता है।<ref name=":0" /><ref>{{Cite journal|last=Takenaka|first=Koshi|date=February 2012|title=Negative thermal expansion materials: technological key for control of thermal expansion|journal=Science and Technology of Advanced Materials|language=en|volume=13|issue=1|pages=013001|doi=10.1088/1468-6996/13/1/013001|issn=1468-6996|pmc=5090290|pmid=27877465|bibcode=2012STAdM..13a3001T}}</ref>
ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के साथ (साधारण) सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार के एक पदार्थ की समग्र पदार्थ बनाने से संयोजन के ऊष्मीय प्रसार या यहां तक ​​​​कि शून्य के निकट ऊष्मीय प्रसार के साथ संयोजन होने की अनुमति मिल सकती है। यदि [[तापमान]] में परिवर्तन होता है तो ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार एक दूसरे को एक निश्चित मात्रा में क्षतिपूर्ति करते हैं। समग्र [[थर्मल विस्तार गुणांक|ऊष्मीय प्रसार गुणांक]] (सीटीई) को एक निश्चित मूल्य पर सम्बद्ध करना समग्र के ऊष्मीय प्रसार में समर्थन देने वाली विभिन्न सामग्रियों के [[ आयतन |आयतन]] अंशों को अलग करके प्राप्त किया जा सकता है।<ref name=":0" /><ref>{{Cite journal|last=Takenaka|first=Koshi|date=February 2012|title=Negative thermal expansion materials: technological key for control of thermal expansion|journal=Science and Technology of Advanced Materials|language=en|volume=13|issue=1|pages=013001|doi=10.1088/1468-6996/13/1/013001|issn=1468-6996|pmc=5090290|pmid=27877465|bibcode=2012STAdM..13a3001T}}</ref> विशेष रूप से इंजीनियरिंग में शून्य के निकट सीटीई वाली पदार्थ की आवश्यकता होती है, अर्थात एक बड़े तापमान परिसीमा पर निरंतर प्रदर्शन के साथ सटीक उपकरणों में आवेदन के लिए लेकिन रोजमर्रा की जिंदगी में भी शून्य के निकट सीटीई वाली पदार्थ की आवश्यकता होती है। [[ग्लास सिरेमिक]] [[कुकटॉप]] जैसे ग्लास-सिरेमिक कुकटॉप्स को खाना पकाने के दौरान तापमान में बड़े उतार-चढ़ाव और तापमान में तेजी से बदलाव का सामना करने की आवश्यकता होती है क्योंकि कुकटॉप्स के केवल कुछ हिस्से ही गर्म होंगे जबकि अन्य हिस्से कमरे के तापमान के निकट रहते हैं। सामान्यतः, इसकी [[भंगुरता]] के कारण कांच में तापमान के उतार-चढ़ाव के कारण दरारें पड़ सकती हैं। हालाँकि, कुकटॉप्स में उपयोग किए जाने वाले ग्लास-सिरेमिक में कई अलग-अलग चरण होते हैं। कुछ सकारात्मक प्रदर्शन करते हैं और कुछ अन्य ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करते हैं। विभिन्न चरणों का प्रसार एक दूसरे को क्षतिपूर्ति करता है ताकि तापमान के साथ ग्लास-सिरेमिक की मात्रा में ज्यादा परिवर्तन न हो और दरार से बचा जा सके।
विशेष रूप से इंजीनियरिंग में शून्य के निकट CTE वाली पदार्थ की आवश्यकता होता है, अर्थात एक बड़े तापमान परिसीमा पर निरंतर प्रदर्शन के साथ। सटीक उपकरणों में आवेदन के लिए। लेकिन रोजमर्रा की जिंदगी में भी शून्य के निकट सीटीई वाली पदार्थ की आवश्यकता होता है। [[ग्लास सिरेमिक]] [[कुकटॉप]]्स जैसे ग्लास-सिरेमिक कुकटॉप्स को खाना पकाने के दौरान तापमान में बड़े उतार-चढ़ाव और तापमान में तेजी से बदलाव का सामना करने की आवश्यकता होता है क्योंकि कुकटॉप्स के केवल कुछ हिस्से ही गर्म होंगे जबकि अन्य हिस्से कमरे के तापमान के निकट रहते हैं। सामान्य तौर पर, इसकी [[भंगुरता]] के कारण कांच में तापमान के उतार-चढ़ाव के कारण दरारें पड़ सकती हैं। हालाँकि, कुकटॉप्स में उपयोग किए जाने वाले ग्लास-सिरेमिक में कई अलग-अलग चरण होते हैं, कुछ सकारात्मक प्रदर्शन करते हैं और कुछ अन्य ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करते हैं। विभिन्न चरणों का प्रसार एक दूसरे को क्षतिपूर्ति करता है ताकि तापमान के साथ ग्लास-सिरेमिक की मात्रा में ज्यादा परिवर्तन न हो और दरार के गठन से बचा जा सके।


अनुकूलित ऊष्मीय प्रसार के साथ सामग्रियों की आवश्यकता के लिए दैनिक जीवन का उदाहरण [[दंत बहाली]] है। यदि फिलिंग दांत से भिन्न मात्रा में फैलती है, उदाहरण के लिए गर्म या ठंडा पेय पीते समय, इससे दांत में दर्द हो सकता है। यदि दंत भराव सकारात्मक और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के मिश्रण वाली मिश्रित पदार्थ से बने होते हैं, तो समग्र प्रसार ठीक से [[[[दाँत]] तामचीनी]] के अनुरूप हो सकता है।
यह स्कैंडियम परमाणुओं को पदार्थ में एक साथ आकर्षित करता है और यह संकुचित होता है। अनुकूलित ऊष्मीय प्रसार के साथ सामग्रियों की आवश्यकता के लिए दैनिक जीवन का उदाहरण [[दंत बहाली|दंत भराव]] है। यदि भराव दांत से भिन्न मात्रा में फैलती है, तो उदाहरण के लिए गर्म या ठंडा पेय पीते समय इससे दांत में दर्द हो सकता है। यदि दंत भराव सकारात्मक और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के मिश्रण वाली मिश्रित पदार्थ से बने होते हैं, तो समग्र प्रसार ठीक से [[दंत बहाली|दंत भराव]] के अनुरूप हो सकता है।


== संदर्भ ==
== संदर्भ ==
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* {{cite journal|doi=10.1016/j.scriptamat.2011.07.001|year=2011 |title=Origin of negative thermal expansion in solids|journal=Scripta Materialia |volume=65 |issue=8 |pages= 664–667 |last1=Liu|first1=Z.-K. |last2=Wang|first2=Yi |last3=Shang|first3=S.-L.}}
* {{cite journal|doi=10.1016/j.scriptamat.2011.07.001|year=2011 |title=Origin of negative thermal expansion in solids|journal=Scripta Materialia |volume=65 |issue=8 |pages= 664–667 |last1=Liu|first1=Z.-K. |last2=Wang|first2=Yi |last3=Shang|first3=S.-L.}}


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Latest revision as of 15:41, 14 June 2023

ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) एक असामान्य भौतिक रसायन प्रक्रिया है जिसमें कोई पदार्थ गर्म होने पर संकुचित होता है, किन्तु बहुत से अन्य पदार्थ ऐसे भी हैं जो अत्यधिक प्रसारित होते हैं। एनटीई के साथ सबसे उपयुक्त पदार्थ 0~4 डिग्री सेल्सियस पर जल है। जल का एनटीई वह कारक है जिसके कारण बर्फ जल में डूबने के स्थान पर तैरता है। वह पदार्थ जो एनटीई से गुजरता है, उसमे संभावित अभियांत्रिकी, फोटोनिक्स, इलेक्ट्रानिक्स और संरचनात्मक अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, यदि कोई ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार पदार्थ को एक सामान्य पदार्थ के साथ मिश्रित करता है जो गर्म होने पर प्रसारित होता है तो परिणामस्वरूप इसे ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में उपयोग करना संभव हो सकता है, जो मिश्रित पदार्थ बनाने की अनुमति दे सकता है या शून्य ऊष्मीय प्रसार के निकट भी हो सकता है। .

ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार की उत्पत्ति

ऐसी कई भौतिक प्रक्रियाएँ हैं जो बढ़ते तापमान के साथ संकुचन का कारण बन सकती हैं, जिनमें अनुप्रस्थ आवृत्ति प्रणाली, कठोर यूनिट प्रणाली और चरण संक्रमण सम्मिलित हैं।

2011 में, लियू एट अल द्वारा यह[1] दिखाया गया है कि एनटीई घटना उच्च दबाव के अस्तित्व से उत्पन्न होती है, साथ ही उच्च एन्ट्रापी के साथ छोटी मात्रा के विन्यास ऊष्मीय उतार-चढ़ाव के माध्यम से स्थिर चरण आव्यूह में सम्मिलित उनके विन्यास के साथ वे विशाल सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार (सीरियम में) और शून्य और अनंत ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (में) दोनों की पूर्वसंकल्पना करने में सक्षम थे। Fe
3Pt[2] वैकल्पिक रूप से, बड़े ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार का परिणाम और आंतरिक सूक्ष्म आकारिकी के प्रारूप से सम्बद्ध हो सकता है। एनटीई के साथ सबसे उपयुक्त पदार्थ 0~4 डिग्री सेल्सियस पर जल है।[3]


संकुलित संरचना प्रणाली में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार

ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार सामान्यतः गैर-संकुलित संरचना प्रणाली में दिशात्मक पारस्परिक सम्बन्ध (जैसे बर्फ, ग्राफीन, आदि) और जटिल यौगिकों (जैसे Cu
2O, ZrW
2O
8, बीटा-क्वार्ट्ज, जिओलाइट्स आदि) जो मिश्रित पदार्थ बनाने की अनुमति दे सकता है या यह शून्य ऊष्मीय प्रसार के निकट भी हो सकता है। हालाँकि, एक पृष्ठ में[4] यह दिखाया गया था कि ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार (एनटीई) को एकल-अवयव, वर्णित-पैक लैटिस में युग्मक केंद्रीय पारस्परिक बल प्रक्रिया के साथ भी अनुभव किया जाता है। अंतर-परमाण्विक विभव के लिए एनटीई व्यवहार को उत्पन्न करने वाली विभव के लिए निम्नलिखित पर्याप्त शर्त , संतुलन दूरी पर प्रस्तावित है,

जहाँ संतुलन बिंदु पर अंतर-परमाणु विभव के तीसरे व्युत्पन्न के लिए आशुलिपि है:
यह शर्त (i) 1D में आवश्यक और पर्याप्त है, लेकिन (ii) 2D और 3D में आवश्यक नहीं है। एक पृष्ठ में अनुमानित आवश्यक और पर्याप्त निम्न स्थिति प्राप्त होती है।[5]
जहाँ अंतरिक्ष आत्मीयता का एक भाग है, इस प्रकार 2डी और 3डी में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार संकुलित संरचना प्रणाली में युग्मक पारस्परिक क्रिया के साथ अनुभव किया जाता है। तब भी जब विभव का तीसरा व्युत्पन्न शून्य या ऋणात्मक होता है तो ध्यान दें कि एक-आयामी और बहुआयामी प्रकरण गुणात्मक रूप से भिन्न होते हैं। 1D में ऊष्मीय प्रसार केवल अंतरापरमाण्विक विभव की प्रकृति के कारण होता है, इसलिए ऊष्मीय प्रसार गुणांक का संकेत विभव के तीसरे व्युत्पन्न के संकेत से निर्धारित होता है। बहुआयामी प्रकरण में ज्यामितीय गैर-रैखिकता भी सम्मिलित है, अर्थात संनादी अंतरापरमाणुक विभव के प्रकरण में भी जाली आवृत्ति गैर-रैखिक का एक रूप हैं। यह गैर-रैखिकता ऊष्मीय प्रसार में समर्थन करती है। इसलिए, बहुआयामी प्रकरण में दोनों और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार की स्थिति में सम्मिलित हैं।

पदार्थ

ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार को प्रदर्शित करने के लिए अनुमानतः सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली सामग्रियों में से एक जिरकोनियम टंगस्टेट (ZrW
2O
8) है। यह यौगिक 0.3 से 1050 K के तापमान परिसीमा में लगातार संकुचित होता है (उच्च तापमान पर पदार्थ निष्क्रिय हो जाता है)।[6] एनटीई व्यवहार प्रदर्शित करने वाले अन्य पदार्थ में अन्य सदस्य सम्मिलित हैं। AM
2O
8 पदार्थ का समूह जहाँ A = Zr या Hf, M = Mo या W) और HfV
2O
7 और ZrV
2O
7, HfV
2O
7 और ZrV
2O
7 केवल 350 से 400 केल्विन से प्रारम्भ होने वाले उनके उच्च तापमान चरण में[7] A
2(MO
4)
3 भी नियंत्रणीय ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार का एक उदाहरण है। घन क्रिस्टल प्रणाली पदार्थ जैसे ZrW
2O
8 और भी HfV
2O
7 और ZrV
2O
7 विशेष रूप से इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के लिए कीमती हैं क्योंकि वे आइसोट्रॉपी एनटीई प्रदर्शित करते हैं अर्थात एनटीई तीनों आयाम में समान है जिससे उन्हें ऊष्मीय प्रसार प्रतिकारक के रूप में लागू करना आसान हो जाता है।[8]

साधारण बर्फ एनटीई को अपने हेक्सागोनल और क्यूबिक चरणों में बहुत कम तापमान (-200 डिग्री सेल्सियस से नीचे) पर प्रदर्शित करता है।[9] अपने तरल रूप में, शुद्ध जल 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप प्रसारकता भी प्रदर्शित करता है। जहाँ अंतरिक्ष आत्मीयता का एक भाग है, इस प्रकार 2डी और 3डी में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार संकुलित संरचना प्रणाली में युग्मक पारस्परिक क्रिया के साथ अनुभव किया जाता है।

अलवर (ALLVAR) मिश्रधातु 30 एक टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातु 20 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मीय प्रसार के -30 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस तात्कालिक गुणांक के साथ एनटीई को एक व्यापक तापमान सीमा पर प्रदर्शित करता है। [10] अलवर मिश्र धातु 30 का ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार विषमदैशिक है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पदार्थ का उपयोग प्रकाशिकी, वायुमंडल और निम्रतापिकी उद्योगों में प्रकाशीय स्पेसर्स के रूप में किया जाता है जो ऊष्मीय डिफोकस, अल्ट्रा-स्थिर स्ट्रट्स और वाशर को ऊष्मीय-स्थिर बोल्ट वाले जोड़ों से रोकते हैं। [11]

कार्बन फाइबर एनटीई को 20°C और 500°C के बीच दर्शाता है। [12] कार्बन फाइबर के प्लास्टिक के अनुपात को समायोजित करके और कार्बन फाइबर के उन्मुखीकरण को समायोजित करके विशिष्ट अनुप्रयोगों/शर्तों के लिए कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक घटकों के सीटीई को तैयार करने के लिए इस विशेषता का उपयोग जटिल-सहिष्णुता वाले वायुमंडल अनुप्रयोगों में किया जाता है। अपने तरल रूप में, शुद्ध जल 3.984 °C से नीचे ऋणात्मक ताप प्रसारकता भी प्रदर्शित करता है।

क्वार्ट्ज (SiO
2) और कई जिओलाइट्स भी निश्चित तापमान सीमाओं पर एनटीई दिखाते हैं।[13][14] लगभग 18 K और 120 K के बीच के तापमान के लिए काफी शुद्ध सिलिकॉन (Si) में ऊष्मीय प्रसार का एक ऋणात्मक गुणांक होता है।[15] क्यूबिक स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड में यह गुण होता है जिसे फ्लोराइड आयनों के कार्तीय दोलन द्वारा संदर्भित किया जाता है। फ्लोराइड आयन के प्रवणता वाले तनाव में संग्रहीत ऊर्जा विस्थापन प्रणाली की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है, अधिकांश अन्य सामग्रियों के विपरीत जहां यह विस्थापन के वर्ग के समानुपाती होता है। एक फ्लोरीन परमाणु दो स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है, और जैसे ही तापमान बढ़ता है, फ्लोरीन अपने बंधों के लंबवत दोलन करता है। यह स्कैंडियम परमाणुओं को पदार्थ में एक साथ आकर्षित करता है और यह संकुचित होता है।[16] ScF
3 इस विशेषता को 10 से 1100 K के ऊपर प्रदर्शित करता है जो सामान्य सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार को दर्शाता है।[17] शेप मेमोरी एलॉय जैसे NiTi पदार्थ का एक नवीन वर्ग है जो शून्य और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करता है।[18][19]





अनुप्रयोग

ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के साथ (साधारण) सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार के एक पदार्थ की समग्र पदार्थ बनाने से संयोजन के ऊष्मीय प्रसार या यहां तक ​​​​कि शून्य के निकट ऊष्मीय प्रसार के साथ संयोजन होने की अनुमति मिल सकती है। यदि तापमान में परिवर्तन होता है तो ऋणात्मक और सकारात्मक ऊष्मीय प्रसार एक दूसरे को एक निश्चित मात्रा में क्षतिपूर्ति करते हैं। समग्र ऊष्मीय प्रसार गुणांक (सीटीई) को एक निश्चित मूल्य पर सम्बद्ध करना समग्र के ऊष्मीय प्रसार में समर्थन देने वाली विभिन्न सामग्रियों के आयतन अंशों को अलग करके प्राप्त किया जा सकता है।[8][20] विशेष रूप से इंजीनियरिंग में शून्य के निकट सीटीई वाली पदार्थ की आवश्यकता होती है, अर्थात एक बड़े तापमान परिसीमा पर निरंतर प्रदर्शन के साथ सटीक उपकरणों में आवेदन के लिए लेकिन रोजमर्रा की जिंदगी में भी शून्य के निकट सीटीई वाली पदार्थ की आवश्यकता होती है। ग्लास सिरेमिक कुकटॉप जैसे ग्लास-सिरेमिक कुकटॉप्स को खाना पकाने के दौरान तापमान में बड़े उतार-चढ़ाव और तापमान में तेजी से बदलाव का सामना करने की आवश्यकता होती है क्योंकि कुकटॉप्स के केवल कुछ हिस्से ही गर्म होंगे जबकि अन्य हिस्से कमरे के तापमान के निकट रहते हैं। सामान्यतः, इसकी भंगुरता के कारण कांच में तापमान के उतार-चढ़ाव के कारण दरारें पड़ सकती हैं। हालाँकि, कुकटॉप्स में उपयोग किए जाने वाले ग्लास-सिरेमिक में कई अलग-अलग चरण होते हैं। कुछ सकारात्मक प्रदर्शन करते हैं और कुछ अन्य ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार प्रदर्शित करते हैं। विभिन्न चरणों का प्रसार एक दूसरे को क्षतिपूर्ति करता है ताकि तापमान के साथ ग्लास-सिरेमिक की मात्रा में ज्यादा परिवर्तन न हो और दरार से बचा जा सके।

यह स्कैंडियम परमाणुओं को पदार्थ में एक साथ आकर्षित करता है और यह संकुचित होता है। अनुकूलित ऊष्मीय प्रसार के साथ सामग्रियों की आवश्यकता के लिए दैनिक जीवन का उदाहरण दंत भराव है। यदि भराव दांत से भिन्न मात्रा में फैलती है, तो उदाहरण के लिए गर्म या ठंडा पेय पीते समय इससे दांत में दर्द हो सकता है। यदि दंत भराव सकारात्मक और ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार वाली पदार्थ के मिश्रण वाली मिश्रित पदार्थ से बने होते हैं, तो समग्र प्रसार ठीक से दंत भराव के अनुरूप हो सकता है।

संदर्भ

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