東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家最近合成了一種具有獨特?zé)崤蛎浱匦缘男滦筒牧??？茖W(xué)家使用的方法能夠生產(chǎn)出一種獨特的，含有鋯，硫和磷的結(jié)晶氧化物，該氧化物表現(xiàn)出兩種不同的負熱膨脹機理。這是第一種顯示該特性的已知材料，其應(yīng)用可能有助于避免損壞復(fù)合材料(例如計算機芯片組件)，而這些材料將面臨意想不到的溫度變化。

大多數(shù)材料在加熱時會隨著原子移動而膨脹。使用熱膨脹系數(shù)(CTE)來測量材料在熱下的可膨脹性。當(dāng)前大多數(shù)工業(yè)級材料的CTE為正值，因此在承受“極端”溫度時它們的性能會很差。但是，某些材料會遇到相反的效果，在更高的溫度下會收縮。這種異常過程稱為負熱膨脹，可能有助于解決復(fù)合材料的熱損傷問題。

東京工業(yè)大學(xué)的一組科學(xué)家由Toshihiro Isobe副教授領(lǐng)導(dǎo)，正在研究CTE值為負的材料。正如Isobe博士解釋的那樣，“負熱膨脹行為可以主要歸因于兩種類型的機制，即相變和框架型機制。” 這兩種機制都有其優(yōu)缺點，因此已在工業(yè)上得到應(yīng)用。相變型材料具有較大的負CTE，但適用溫度窄范圍，限制了它們的操作用途，特別是作為復(fù)合材料中的填料。另一方面，框架型材料在很寬的溫度范圍內(nèi)顯示出熱收縮，但是由于它們的絕對CTE值很小，因此需要大量使用才能達到理想的結(jié)果。多年以來，科學(xué)家一直在尋找兩者之間的適當(dāng)折衷方案，但是迄今為止，尚未報道能夠同時經(jīng)歷兩種負熱膨脹機理的材料。

Isobe博士及其團隊在《NPG亞洲材料》上發(fā)表的最新研究中報告了一種合成由鋯，硫和磷制成的新型晶體氧化物并描述其特性的方法。Isobe博士將該晶體的化學(xué)式為Zr 2 SP 2 O 12，描述為“一種負CTE材料，加熱時會顯示出過渡型和骨架型??機理。”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，盡管Zr 2 SP 2 O 12表現(xiàn)出了前面提到的兩種負熱機制，但在給定溫度下可能占主導(dǎo)。例如，在393K(大約120°C)到453K(大約180°C)之間，材料迅速收縮，某些結(jié)構(gòu)單元變形，這表明相變。但是，在此溫度范圍的上下，收縮并不明顯，研究人員反而觀察到原子間鍵長和鍵角的微小變化，這是骨架型機制的特征。

研究人員還注意到了一個有趣的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，在相變期間(120-180°C)，晶格中含硫原子較少的晶體更容易變形，從而導(dǎo)致材料的收縮更大(負CTE值更高)。這可以幫助生產(chǎn)具有特定應(yīng)用所需CTE的Zr 2 SP 2 O 12晶體。

這種新型的晶體材料及其產(chǎn)生機理可以為合成具有類似雙重機理的化合物鋪平道路。這樣，材料工程師將能夠選擇具有特定特性的化合物，以使制造的材料的性能適應(yīng)特定的操作條件。