「熱脹冷縮」是我們從小就學到的物理定律，可是這定律也一直困擾設計飛機或太空飛行器的工程師，不過最近科學家似乎找到了一種從 -269℃ 到 1,126℃ 都不會膨脹或收縮，且可能是目前世上已知最穩定的新物料之一，有望在相關技術上有突破發展！
這是化學和物理學的基本規則：當你加熱物質時，物質會因受熱而導致元素之間的「原子鍵」(Atomic bond) 長度增加而膨脹，也就是所謂的「熱脹冷縮」效應；有時還會因原子旋轉而產生影響整體體積的結構變化，雖然有些物質會例外〔例如水與冰〕；基本上難以找到熱膨脹系數為零的材質。
這個問題上以航天界別影響最大，因為在設計一架飛機或太空飛行器時，工程師都必須考慮製造物料是否承受得住在大氣層時與空氣磨擦的高溫與進入太空後的低溫，而事實上很少有物料能同時承受極端溫度變化而不變形，目前已知只有某幾種陶瓷物料在高溫時幾何特性變化比較少而已。
正因為有這種限制，例如過往美軍一種能以三倍音速執行偵察任務的「SR-71 黑鳥式偵察機」(SR-71 Blackbird)，正因為高速飛行產生「熱脹冷縮」效應，導致油箱設計不能密封，以免在飛行過程中過度膨脹而破裂，但油箱不能密封就一直伴有漏油問題，為此還得另外開發就算泄漏也不易誤燃的高成本「JP-7」燃油，令偵察機的任務成本非常高昂。
說到這種 SR-71 的專用燃料想打岔一下，對於世上絕大部分人來說，僅僅知道這是一種用火柴也點不著的「高標號」航空燃料，因為到目前為止仍屬於軍事機密，成份當然是秘密，就連這種燃料是黃是黑，基本上全世界也沒多少人見過。
於是好奇在網上搜尋了一下，唯一可以找到的照片是這張，這是「美國衛生及公共服務部」(United States Department of Health and Human Services) 轄下「有毒物質和疾病登記署」(Agency for Toxic Substances and Disease Registry, ATSDR) ，於 1995 年對「JP-4」和「JP-7」的化驗報告工作照片。裝在玻璃瓶裏左面的是「JP-4」，而右面棕色的相信就是「JP-7」。
言歸正傳，澳洲新南威爾斯大學 (University of New South Wales) 研究團隊不久前宣稱發現了沒有「熱脹冷縮」問題的新物料。
該團隊在進行新的電池物料研究時，意外發現一種由「鈧」(Scandium)、「鋁」(Aluminium)、「鎢」(Tungsten) 和「氧」(Oxygen) 混合而成，暫名為「Sc1.5 Al0.5 W3 O12」的新物料，具有非常特殊的熱穩定性，進一步觀察這種新物料的鍵、氧原子位置、原子旋轉等，發現在 -269℃ 到 1,126℃ 範圍內都只有極微小變化，與迄今已知的其他熱穩定物料相比，該物料能承受的溫度變化範圍更廣。
對於「Sc1.5 Al0.5 W3 O12」為何擁有這種極端熱穩定性，原因目前還不清楚，研究人員認為，可能鍵的長度、角度及氧原子位置能夠相互協調，才得以維持整體體積不變，這種接近零膨脹特性相當適合用於製造需穩定性極高的高精密零件。
更令人雀躍的是，新物料由鈧、鋁、鎢和氧組成，只有鈧是稀有昂貴的元素，研究人員已經在尋找更好的替代品，未來有機會大規模量產，並應用於高精密機械儀器、航空航太零件、醫療植入物等對溫度極度敏感的材料中。
轉載 科技新報
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