Nieuw materiaal zet uit en krimpt tegelijk als het wordt verhit

De meeste vaste stoffen zetten uit als ze warmer worden. Dat kan gepaard gaan met grote krachten, vandaar bijvoorbeeld dat afzonderlijke stukken treinrails een beetje van elkaar af gelegd worden: anders zouden ze op zonnige dagen uit hun verband gedrukt worden. Onderzoekers van Michigan State University hebben nu een legering ontdekt die tussen 150 graden onder nul en 150 graden boven nul praktisch niet uitzet. Het mengsel van het metaal ytterbium en de halfgeleiders gallium en germanium is bovendien een goede geleider van warmte en elektriciteit (Nature, 16 okt).

Als materialen warmer worden gaan de atomen waaruit ze zijn opgebouwd harder trillen. Dat beïnvloedt de onderlinge krachten en daarmee ook de afstand waarop ze zich van elkaar bevinden. In de meeste gevallen neemt die afstand toe, en zet het materiaal uit. Er bestaan echter ook (exotische) materialen die krimpen wanneer de temperatuur toeneemt. Dat komt niet doordat aan elkaar gebonden atomen dichter bij elkaar komen te zitten, maar omdat sommige atomen naarmate ze heviger trillen ruimte vrijmaken, zodat hun naaste buren elkaar dichter kunnen naderen. Door een stof die uitzet in een juiste verhouding te mengen met eentje die krimpt is het mogelijk om een materiaal te maken dat helemaal niet uitzet. Dit soort materialen is kostbaar en wordt wel toegepast in de ruimtevaart.

Het `YbGaGe' dat James Salvador en zijn collega's nu hebben ontdekt, ontleent zijn uitzonderlijke warmte-eigenschappen niet aan atomen die op de juiste manier staan te trillen, maar aan een elektronendans tussen ytterbium en gallium. Als de temperatuur toeneemt gaan er namelijk elektronen over van de ytterbiumatomen – die daardoor kleiner worden en dichter bij elkaar komen te zitten – naar de gallium-atomen, die de elektronen kunnen opnemen zonder dat hun onderlinge afstand verandert. Het krimpen van de ene soort atomen compenseert voor het groter worden van de afstanden tussen de andere atoomsoorten.

Bijna alle andere materialen met een verwaarloosbare uitzettingscoëfficiënt zijn keramisch en geleiden noch warmte noch een elektrische stroom. Het YbGaGe doet dat wel, waardoor het bijvoorbeeld geschikt is voor toepassing in elektronische apparatuur en precisiemeetinstrumenten.