sulamispiste

Aine, joka ei pala tulessakaan

Ti, 07/28/2015 - 08:19 Markus Hotakainen

Todellisuudessa hafnium-typpi-hiili-yhdisteen sulattamiseen tarvitaan huikean paljon korkeampi lämpötila kuin tavallisella tulella saadaan aikaan. Tai tarvittaisiin, sillä tällaista ainetta ei ole olemassakaan.

Tätä mielikuvitusainetta on toistaiseksi kehitetty vain supertietokoneiden uumenissa. Axel van de Walle ja Qijun Hong ovat mallintaneet yhdistettä, joka tunnetaan nimellä HfN0.38C0.51. He totesivat, että sen sulamispiste on korkeampi kuin yhdelläkään tunnetulla tai teoreettisella aineella.

Kestävä yhdiste sulaa laskelmien mukaan vasta noin 4 130 celsiusasteen lämpötilassa. Mallinnuksessa tutkijat säätivät hafniumin, hiilen ja typen suhteellisia runsauksia yhdisteessä. Tietyillä määrillä sulamispiste nousi laskennallisesti noin 200 astetta korkeammaksi kuin hafniumin, tantaalin ja hiilen yhdisteellä, jolla on korkein kokeellisesti todettu sulamispiste.

"Laskennallisella tutkimuksella on se etu, että voimme kokeilla monia erilaisia yhdistelmiä hyvin edullisesti ja etsiä sellaisia, joita kannattaa testata laboratoriossa", toteaa van de Walle. 

Tutkijat sovelsivat menetelmää, jossa sulamispiste määritetään simuloimalla fysikaalisia prosesseja atomitasolla. Laskennallisesti sulamista tarkastellaan nanoskaalassa eli noin sadan atomin kokoisissa ”kappaleissa”. Silloin joudutaan tekemisiin kvanttimekaanisten ilmiöiden kanssa.

"Aineen sulaessa entropia kasvaa, kun olomuoto muuttuu. Jos kiinteän olomuodon entropia on jo valmiiksi suuri, se vakauttaa ainetta ja nostaa sen sulamispistettä", van de Walle selittää.

Tutkijoiden seuraavana tavoitteena on valmistaa ainetta ja tutkia kokeellisesti sen ominaisuuksia. van de Wallen mukaan toistaiseksi on kuitenkin epävarmaa, onko aineelle mitään hyödyllistä käyttöä. Sitä voitaisiin kenties käyttää esimerkiksi kaasuturbiinien lapojen pinnoittamiseen.

"Sulamispiste ei ole aineen ainoa tärkeä piirre. Lisäksi on tarkasteltava esimerkiksi mekaanisia ominaisuuksia ja hapettumisen sietokykyä. Niiden takia yhdisteeseen on ehkä lisättävä aineita, jotka alentavat sen sulamispistettä", arvioi van de Walle.

Tutkimuksesta kerrottiin Brownin yliopiston uutissivuilla ja se ilmestyi Physical Review B -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: van de Walle lab/Brown University