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.

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“.

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.

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.