近日，我院梁二军教授、高其龙博士研究团队在负热膨胀框架材料设计探索与机理研究方面取得新进展，提出了“平均原子晶格体积”新的概念，为探索框架结构负热膨胀新材料提供了可行性方法。相关成果以“Discovering Large Isotropic Negative Thermal Expansion in Framework Compound AgB(CN)4 via the Concept of Average Atomic Volume”为题发表于化学类权威期刊《Journal of the American Chemical Society》（影响因子：14.695）。郑州大学为第一单位，我院青年教师高其龙博士为第一作者，梁二军教授和北京科技大学数理学院陈骏教授为通讯作者。
热胀冷缩是自然界中一种普遍现象，热膨胀系数不匹配是导致材料疲劳、器件性能下降甚至失效的主要原因，也是长期困扰人们的科技难题，通常只能用非常复杂的结构设计进行补偿。具有反常热膨胀（热缩冷胀）性质材料的出现为解决这一难题带来了希望，因此成为近年来物理、化学和材料科学领域研究的热点之一。但目前发现的负热膨胀材料非常有限，具有工程应用价值的则更少，特别是各向同性负热膨胀材料，完全无法满足现代科学技术发展对负热膨胀材料种类和性能的要求，如何高效地发现和设计性能优异的新的负热膨胀材料是亟需解决的课题。目前绝大多数各向同性负热膨胀材料具有框架结构特征，其机理来源于低频声子的贡献，虽然机理比较清晰，然而却很难依据它去设计和发现更多的负热膨胀材料，这极大限制了新材料设计方面的需求。
为了有效解决这一问题，研究团队在对框架结构负热膨胀材料研究及结构柔性与负热膨胀关系分析的基础上，提出了“平均原子晶格体积”概念来指导发现和设计新型负热膨胀体系。该工作给出了“平均原子晶格体积”的关键指标，即16Å3。当化合物的这一指标大于此数值时呈现负热膨胀，反之则为正热膨胀。为验证这一概念的有效性，研究团队在无机化合物晶体结构库中搜寻，发现了各向同性AgB(CN)4的平均原子晶格体积为18.83Å3，经同步辐射高分辨衍射测得其在100K到600K大温区内表现为巨大线性负热膨胀特性（αv=-40×10-6K-1），性能超过绝大多数负热膨胀材料。采用扩展边X射线吸收精细结构（EXAFS）和晶格动力学计算（DFT）计算，揭示了此类材料的负热膨胀主要来源于桥链原子C和N原子的横向振动，其中C和N原子同向振动时的贡献最大。该研究成果为发现和设计更多的负热膨胀材料提供了一个简便有效的新方法，有助于推动负热膨胀材料及其应用的快速发展。该成果的晶格动力学计算由我院孙强教授完成。
图1. (a)立方框架结构材料中平均原子晶格体积与热膨胀的关联关系；（b）AgB(CN)4的高分辨同步辐射XRD结构精修与结构示意图。
图2. 晶格动力学计算结果：（a-b）声子色散关系和不同声子的格林艾森常数；（c-d）相关特征声子的格林艾森参数与振动信息。
该工作得到了国家自然科学基金、博士后基金和郑州大学校青年拔尖人才科研启动经费的支持。目前，高其龙博士所在的梁二军教授团队长期致力于宽温区负热膨胀材料研究，已获得4项国家自然科学基金和1项博士后基金支持，10余项国家发明专利授权，发表近100篇SCI收录论文，有近30项成果被写入美国学者David J. Fisher撰写的《Negative thermal Expansion Materials》一书（2018）。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02188
中文
English