在精密光学、微机械和微电子器件等需要尺寸稳定性的所有技术应用中，热膨胀控制是一个关键科学问题。负热膨胀(NTE)材料的出现为有效剪裁热膨胀带来了巨大希望。为了满足在宽温度范围内具有低热膨胀的工程应用需求，在不影响基体性能的前提下，考虑添加材料的热膨胀性能和数量至关重要。此外，用于空间卫星和航天器时，负热膨胀材料的密度成为满足超轻应用要求的关键因素。因此，发现和设计具有超低密度性能的高性能负热膨胀材料在实际应用中无疑具有重要的意义。

近日，我院高其龙副教授、孙强教授和北京科技大学的陈骏教授合作，基于平均原子晶格体积概念，发现巨负热膨胀新材料NaB(CN)₄,其理论质量密度接近1g/cm³，推动负热膨胀材料设计进入超轻时代。成果以《Giant Negative Thermal Expansion in Ultralight NaB(CN)4》发表在国际TOP期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。我院为第一单位。

研究发现NaB(CN)₄在100 K-200 K温度范围内具有巨大的负热膨胀行为，其负热膨胀量级远远大于大部分具有开框架结构的氧化物、氟化物以及同类型的普鲁士蓝类似物。并且NaB(CN)₄相较于其他的负热膨胀材料，具有更大的体积收缩率和更低的质量密度。

其次对NaB(CN)₄进行了变温超低频拉曼光谱测试，发现在24 cm^-1处的拉曼模式表现出较大的蓝移，表明存在正的显/真非谐性，这与其他开放框架材料中的其他低频振动模式一样，说明该模式对体系负热膨胀有贡献。

最后，DFT计算表明，NaB(CN)₄的负热膨胀主要是由低频处的光学模式贡献，其中对体系负热膨胀贡献最大的振动模式属于非刚性单元模，这种模式为解释负热膨胀机理提供了新的见解。

本工作得到了国家自然科学基金和河南省自然科学基金的支持。

论文信息：

Giant Negative Thermal Expansion in Ultralight NaB(CN)4

Qilong Gao*, Yixin Jiao, Qiang Sun*, Jan A. P. Sprenger, Maik Finze,Andrea Sanson, Erjun Liang, Xianran Xing,Jun Chen*

Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202401302