Když se kov zahřeje sám: nejzvláštnější materiály, které mění své vlastnosti proti logice fyziky

| 4 min

Sdílet

Většina materiálů se chová předvídatelně. Zahřejte kov — roztáhne se. Ochlaďte ho — smrští se. Zvyšte tlak — změní hustotu. Chemie a fyzika mají jasná pravidla, která umožňují konstruovat stroje, budovy i elektroniku. Existují ale materiály, které tato pravidla porušují.

Když se kov zahřeje sám: nejzvláštnější materiály, které mění své vlastnosti proti logice fyziky

Zdroj: Kód Enigma - Čeština

Některé se zahřívají, aniž by přijímaly teplo. Jiné se při ohřevu zmenšují. Další mění elektrické vlastnosti způsobem, který se zdá být proti intuici. Vědci je studují proto, že právě tyto „anomální“ materiály mohou vést k nové generaci technologií.

Kovy s negativní tepelnou roztažností: materiály, které se při ohřevu zmenšují

Klasická fyzika říká: většina materiálů se při zahřívání roztahuje. Existují však krystalické struktury, které mají negativní koeficient teplotní roztažnosti (NTE). Mezi nejznámější patří ZrW₂O₈, látka, která se zmenšuje v širokém rozsahu teplot — od téměř absolutní nuly až po stovky stupňů Celsia.

Jde o jev způsobený zvláštní mřížkovou geometrií: atomy se při zahřátí neoddalují, ale otáčejí kolem vazeb, což stahuje strukturu dovnitř.

Tato paradoxní vlastnost umožňuje vytvářet kompozitní materiály, které mají téměř nulovou roztažnost — ideální pro přesné optické přístroje či stabilní konstrukce vesmírných teleskopů.

Samozahřívající kovy: exoty, které vypadají jako perpetuum mobile

Jedním z nejpodivnějších jevů v metalurgii jsou exotermické fázové změny, kdy se kov zahřeje, přestože je vystaven chladu.
Typickým příkladem je slitina nikl-titan (NiTi), známá jako „tvarová paměť“.

Když se NiTi mechanicky deformuje a následně vrací do původního tvaru, uvolňuje při tom značné množství tepla.

Jde o jev zvaný elastokaloricita, který je tak výrazný, že některé experimenty zkoumají využití těchto slitin jako alternativu ke klasickému chlazení či ohřevu bez použití freonů.

V extrémních případech dokážou slitinové struktury generovat teplo rychleji, než ho stíhají odvádět — což vede k jevu připomínajícímu spontánní zahřátí.

w768 (3)
ČTĚTE TAKÉ: První baterie, která vydrží 100 let: vědci testují prototyp bez ztráty výkonu

Kovy, které samy „vyrábějí“ elektrony: triboelektrické vrstvy se záporným třením

Další anomálií jsou materiály, které při tření generují více energie, než kolik se jeví jako spotřebovaná. Nejde o porušení zákonů fyziky, ale o efekt triboelektrické separace.

Některé povrchové vrstvy dokážou při dotyku a odtržení vytvořit elektrické napětí tak vysoké, že se systém jeví jako „energii vytvářející kov“. V extrémních případech dochází ke vzniku mikrovýbojů, které krátkodobě lokálně zvyšují teplotu.

Tento mechanismus se zkoumá jako princip pro výrobu miniaturních senzorů, které mohou získávat energii z běžných vibrací nebo lidského pohybu.

Materiály, které mění vlastnosti skokově: kovové „přepínače stavů“

Některé materiály nevykazují plynulé změny vlastností, ale chovají se jako přepínač. Typickým příkladem je vanadový oxid VO₂, který při přechodu kolem 67 °C prudce změní elektrickou vodivost, optickou odrazivost i tepelnou propustnost.

VO₂ se z izolantu změní na kov v milisekundách. Tento dramatický přechod je způsoben reorganizací krystalové mřížky — elektrony se začnou chovat kolektivně a materiál vytvoří nový typ pásové struktury.

Tyto materiály jsou základním kamenem pro vývoj inteligentních oken, ultrarychlých spínačů a termálních regulací.

Existují i materiály, které „vypnou“ odpor: kvantové anomálie při nízkých teplotách

Supervodiče jsou známé, ale méně známé jsou materiály, které se chovají jako „selektivní supervodiče“.

V určitých teplotách nebo magnetických polích vykazují:

nulový odpor v jednom směru,
běžný odpor v jiném,
anisotropní supravodivost,
fázové posuny elektronů viditelné jen pomocí neutronového nebo rentgenového rozptylu.

Tyto jevy, dokumentované například u cuprátů nebo železných supravodičů, odporují běžné intuitivní představě supravodivosti jako „zapnuto/vypnuto“.

w768 (7) ČTĚTE TAKÉ: Roboti, kteří se sami opravují: nová generace strojů mění pravidla technologie

Materiály, které se nabíjejí tichým světlem: fosforescence s extrémně dlouhým dozvukem

Kovy a keramické směsi dopované vzácnými prvky, například europiem, dokážou ukládat energii ze světla a vyzařovat ji celé hodiny. Jde o extrémní formu fosforescence, kde struktura uvězní elektrony v energetických pastech a uvolňuje je postupně.

Tento jev umožňuje vytvářet materiály:

viditelné v úplné tmě,
reagující na sebemenší osvětlení,
využitelné pro bezpečnostní značení i kosmické technologie.

Kovy, které reagují na magnetické pole změnou teploty

Magnetokalorický efekt je další paradoxní vlastnost. Když se některé kovy vystaví silnému magnetickému poli, zahřejí se, a když se pole odstraní, ochladí se.

Jde o jev využívaný v experimentech na nové typy chlazení bez kompresorů. Materiály jako gadolinium nebo speciální intermetalické sloučeniny vykazují změny teploty o několik stupňů během okamžiku.

Z fyzikálního pohledu jde o reorganizaci magnetických momentů — jejich uspořádání ovlivňuje entropii a tím i teplotu.

w768 (8) ČTĚTE TAKÉ: Zapomenuté technologie antiky: znalosti, které byly příliš pokročilé na svou dobu

Materiály, které posouvají hranice toho, co považujeme za možné

Paradoxní materiály nejsou výjimkou. Jsou důkazem, že fyzikální zákony jsou komplexní a že pravidla, která platí pro běžné látky, mohou být ve specifických strukturách zásadně odlišná.

Kovy, které se při ohřevu zmenšují, slitiny, které se při deformaci zahřívají, nebo látky, které mění stav téměř okamžitě, jsou základem nové generace technologií — od přesných optických systémů po termální regulace a energetické zpracování.

Zdroje

Marynick, D. S. & Sleight, A. W. (1996). Negative Thermal Expansion in ZrW₂O₈. Nature, 389.
Otsuka, K. & Wayman, C. M. (1998). Shape Memory Materials. Cambridge University Press.
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, N. D. (2014). Caloric Materials for Refrigeration. Nature Materials, 13.
Morin, F. J. (1959). Oxides with Metal–Insulator Transitions. Physical Review Letters, 3.
Dagotto, E. (2005). Complexity in Strongly Correlated Electronic Systems. Science, 309.
Liu, X. et al. (2019). Long-Persistent Luminescent Materials. Chemical Reviews, 119.

DALŠÍ ČLÁNKY z Kód Enigma

Vybrali jsme pro vás MAGAZÍNY A ZAJÍMAVOSTI

"Je mi ctí a jdeme si pro to." Bojovník Procházka se stane v příštím roce otcem

Možná titulový zápas a ještě k tomu přírůstek v rodině. Bojovník Jiří Procházka v příštím roce pozná novou...

Sport - Aktuálně.cz|

dnes, 18:57

Hokejisté Kladna porazili Vítkovice 3:0 a oslavili třetí výhru v řadě

Hokejisté Vítkovic nestačili ve 28. kole extraligy na Kladno a doma Středočechům podlehli 0:3. Hosté...

Ostravská Drbna|

dnes, 18:50

| 2 min

Dva Američané plánovali vyvraždit ostrov. Ženy a děti měly být jejich sexuální otroci

"Spolupachatelé prováděli průzkum, nábor, plánování a absolvovali výcvik, aby mohli svůj plán uskutečnit,"...

Zprávy - Aktuálně.cz|

dnes, 18:47

Plzeňští fotbalisté v lize porazili doma oslabenou Mladou Boleslav 2:1

Fotbalisté Plzně v 17. kole první ligy porazili doma Mladou Boleslav 2:1 a posunuli se na páté místo...

Plzeňská Drbna|

dnes, 18:38

| 2 min

Hospodský kvíz: 10 otázek, 0 šancí na úspěch. Tohle není soutěž pro slabé

Jste připraveni na hospodský kvíz, ve kterém vás čeká 10 otázek, ale přesto jsou vaše šance na úspěch jen...

NESPECHEJ.cz|

dnes, 18:30

| 1 min

Josef Dvořák a ženy jeho života: 3 manželky, 4 svatby a 1 osudová žena

Legendární komik, který na jevišti rozdával smích, v soukromí vede mnohem tišší život – zato plný dramat,...

KINOTIP2.cz|

dnes, 18:30

| 3 min

I v Ostravě zahájili advent. Na náměstí se roztočilo kolo, otevřelo se kluziště

Tisíce lidí zamířily na ostravské náměstí, aby byly u slavnostního rozsvícení vánočního stromečku a výzdoby...

Ostravská Drbna|

dnes, 18:23

| 1 min

Hradec Králové pojmenoval vánoční strom Eliška Rejčka. Sledovat ho můžete on-line

Hradec Králové už zdobí oba tradiční vánoční stromy. Na Velkém náměstí stojí téměř dvacetimetrový smrk...

Hradecká Drbna|

dnes, 18:15

| 1 min

Když se kov zahřeje sám: nejzvláštnější materiály, které mění své vlastnosti proti logice fyziky

Většina materiálů se chová předvídatelně. Zahřejte kov — roztáhne se. Ochlaďte ho — smrští se. Zvyšte tlak...

Kód Enigma|

dnes, 18:11

| 4 min

Sparta ovládla vyrovnaný šlágr s Třincem a udržela čelo tabulky

Hokejisté Sparty zvítězili ve 28. extraligovém kole na ledě Třince 2:1 a udrželi se v čele soutěže. Všechny...

Sport - Aktuálně.cz|

dnes, 18:06

Sousedi mě pomlouvali v domovní WhatsApp skupině. Nepočítali s tím, že to uvidím

Domovní skupiny na internetu si většina lidí spojuje s pocitem bezpečí a […]

Umíme poradit|

dnes, 18:03

| 3 min

O co se vaše znamení zvěrokruhu zajímá až nezdravě příliš?

Člověk by se neměl o všechno starat, jinak by se mohl trápit až do konce svého života. Jenže každé znamení...

FAJNTIP.cz|

dnes, 18:00

| 2 min

KVÍZ: Prokažte své všeobecné znalosti v testu, ve kterém 79 % Čechů selže

Vzpomínáte si ještě na školní léta? Možná zjistíte, že některé věci, které kdysi byly samozřejmé, dnes...

Techzpravy.cz|

dnes, 18:00

| 1 min

Třetí třetina Motoru v Hradci hrubě nevyšla

Po páteční výhře nad Spartou zajížděl Motor na východ Čech, do Hradce Králové. Po dobrém nástupu vedl po...

Budějcká Drbna|

dnes, 17:55

| 5 min

VIDEO: Také v Dolní Cerekvi zahájili advent. Stromek u kostela rozsvítil anděl

Řada obcí dnes slavnostně rozsvítila vánoční stromy a také výzdobu. Nejinak tomu bylo před několika málo...

Jihlavská Drbna|

dnes, 17:55

| 1 min

F1 zažije pořádné drama. Po triumfu Verstappena rozhodne o titulu až poslední závod

Nizozemský jezdec Max Verstappen z Red Bullu ovládl Velkou cenu Kataru formule 1.

Sport - Aktuálně.cz|

dnes, 17:51

Vypnuté děti. Uznávaný ředitel popisuje, co dělat, když děti tráví čas na sítích

Digitální doba, tlak na výkon. Koktejl, který přispívá k tomu, že se psychická odolnost českých dětí...

Zprávy - Aktuálně.cz|

dnes, 17:37

Tajemství starých kuchyní: Co opravdu jedli lidé za socialismu

Vůně domova má mnoho podob, někdy je to čerstvě upečený moučník, jindy poctivý oběd, který se podává pro...

NESPECHEJ.cz|

dnes, 17:30

| 2 min

Rusové jiné zemi slíbili "pohlídat" její zlatý poklad. Nyní ho prodávají

Rumuni na svůj poklad nikdy nezapomněli a o jeho navrácení se snaží dodnes. Zatím marně. Zlato dosud leží v...

Zprávy - Aktuálně.cz|

dnes, 17:25

Vysmíval se Procházkovi, urážel ho. Teď se Rakić po čtyřech prohrách modlí, aby v UFC neskončil

Aleksandar Rakić snil o velkém restartu kariéry, ale místo triumfálního návratu přišel další brutální pád....

MMAMAG.cz|

dnes, 17:25

| 2 min

Doporučujeme

Právě u nás vyšlo

Vedení Novy už řeší odchod Borhyové. Tři možné náhradnice prý čekají na jediné rozhodnutí

Když se kov zahřeje sám: nejzvláštnější materiály, které mění své vlastnosti proti logice fyziky

Vedení Novy už řeší odchod Borhyové. Tři možné náhradnice prý čekají na jediné rozhodnutí

Aby se stali milionáři, stačil "dobrý nápad". Šejdíři století vymámili z lidí miliony

"Neveřejná záležitost." Z univerzity se bleskově klidil, teď má být ministrem

Lucie Bílá v slzách: Partner Radek musel na operaci, vážný nález na mozku

Vypnuté děti. Uznávaný ředitel popisuje, co dělat, když děti tráví čas na sítích