Une distorsion monoclinique autrefois inaperçue en Ca 2 RuO 4 explique son énorme dilatation thermique négative (NTE) sur une large plage de températures, découvrez des chercheurs de Tokyo Tech. Les travaux promettent une autre voie pour la conception de matériaux NTE non conventionnels, avec des applications dans les moteurs, céramiques de barrière thermique, et instruments de précision, entre autres.

La plupart des matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés, c'est pourquoi les voies ferrées et les ponts ont des joints de dilatation spéciaux pour les aider à faire face aux conditions météorologiques extrêmes. Mais un petit nombre de matériaux font le contraire. Le phénomène rare de rétrécissement lorsqu'il est chauffé est appelé dilatation thermique négative (NTE). Un matériau avec NTE remarquable est Ca 2 RuO 4 (CRO), qui est connu comme un ruthénate en couches.

CRO a fait l'objet de recherches depuis que le professeur Koshi Takenaka de l'Université de Nagoya a découvert que son NTE s'étendait sur une plage de 200 degrés. Dans une étude récente publiée dans la revue Chimie des Matériaux , chercheurs du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Université de Nagoya, Institut des sciences et technologies industrielles de Kanagawa, Université de la préfecture d'Osaka, L'Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron (JASRI) et les Instituts nationaux des sciences et technologies quantiques et radiologiques révèlent les propriétés physiques responsables du comportement intrigant de CRO. "Nos travaux précédents ont montré un retrait de volume de 6,7% dans un corps fritté CRO, tandis que le changement cristallographique n'était que de 1% et était assez anisotrope. De plus, une compréhension approfondie de son origine manquait, en particulier sur la façon dont la variation de la teneur en oxygène fait passer de NTE à PTE, " dit le Pr Masaki Azuma, qui a dirigé l'étude. L'anisotropie fait référence à une variation des propriétés physiques le long de différents axes cristallins.

Le professeur Takenaka et ses collaborateurs ont synthétisé deux types de CRO :la CRO réduite et la CRO oxydée. La différence fondamentale entre les deux spécimens est que le CRO oxydé contient une fraction d'oxygène interstitiel dans la structure cristalline.

L'équipe de chercheurs, qui comprenait le Dr Lei Hu de Tokyo Tech, analysé le CRO réduit et constaté qu'il a une structure cristalline monoclinique à basse température, qui peut être compris par trois axes qui forment un prisme rectangulaire avec un parallélogramme comme base. Après investigations expérimentales et calculs théoriques, ils ont vu que le CRO monoclinique a des distorsions dans sa structure cristalline appelées distorsions de Jahn-Teller, et une rotation du bloc de construction de CRO, un RuO 6 octaèdre. La phase monoclinique est contractée dans une direction cristallographique. La distorsion de Jahn-Teller fait référence à une distorsion géométrique de RuO 6 qui diminue l'énergie globale du système. Ce sont ces distorsions qui sont responsables du comportement inhabituel de CRO en NTE. La distorsion de Jahn-Teller est également associée à un ordre orbital dans la structure électronique du système.

Lorsque le CRO réduit est chauffé, ces distorsions disparaissent et le cristal monoclinique se transforme lentement en une structure orthorhombique (un prisme rectangulaire à base rectangulaire). Les grains de cristal en forme d'aiguille qui forment la structure matérielle se dilatent le long de la direction longitudinale mais se contractent le long des deux autres axes, et ils se déforment en forme de tambour à mesure que la température augmente. Cela provoque une forte contraction du volume global en raison de la réduction des pores entre les grains.

L'oxygène interstitiel présent dans le CRO oxydé semble jouer un rôle critique en son absence de NTE. Pour comprendre pourquoi, Le Dr Hu a effectué des calculs théoriques sur différentes géométries cristallines observées dans l'expérience. "Nous pensons que l'oxygène interstitiel brise l'ordre orbital et stabilise le RuO allongé 6 octaèdres, ce qui facilite l'apparition d'une dilatation thermique positive (PTE), " dit le Dr Hu.

L'exploitation des propriétés du NTE et du PTE peut conduire à l'ingénierie de composites qui ne présentent aucune dilatation thermique globale. De tels matériaux auraient une fiabilité, performances constantes sur de larges plages de température, ce qui les rend hautement souhaitables non seulement pour l'instrumentation scientifique complexe, mais même pour les objets du quotidien comme les tables de cuisson et les semi-conducteurs. "Ce travail donne un aperçu du contrôle de la dilatation thermique à travers le degré de liberté orbital, et met également en lumière la façon dont les défauts structurels affectent le cristal, structures locales et électroniques, " conclut le Pr Azuma.