美国能源部(U.S. Department of Energy)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的科学家有了新的实验证据和一种预测理论，解决了长期存在的材料科学之谜:为什么某些晶体材料在加热时会收缩。他们的研究成果刚刚发表在《科学进展》杂志上，可能会广泛应用于将材料特性与医学、电子和其他领域的特定应用相匹配，甚至可能为非传统超导体(携带电流且无能量损耗的材料)提供新的见解。
证据来自于对氟化钪(ScF3)晶体中原子间距离的精确测量，这种材料因其在高温下不寻常的收缩而闻名(也被称为“负热膨胀”)。科学家们所发现的是一种新型的振动运动，这种运动能使这些立方体状的、看似固体的晶体的侧面在加热时弯曲，从而将各个角落拉得更近。
布鲁克海文的物理学家伊戈尔·扎里兹尼亚克(Igor Zaliznyak)是该项目的负责人。“当你加热某样东西时，原子振动的幅度会增大，而整体材料的尺寸也会增大，以适应更大的振动。”
然而，这种关系不适用于某些柔性材料，包括链状聚合物，如塑料和橡胶。在这些材料中，增加热量只会增加与链条长度垂直的振动(想象拨弦的横向振动)。这些横向振动将链条两端拉得更近，导致整体收缩。
那么氟化钪呢?它是固体的立方晶体结构，看上去一点也不像聚合物——至少乍一看是这样。此外，人们普遍认为，无论晶体大小如何，固体晶体中的原子必须保持它们的相对方向，这让物理学家们困惑不解，无法解释这种材料在加热时是如何收缩的。
中子和一个专注的学生救援
来自加州理工学院(Caltech)的一个小组正在使用一种方法在散裂中子源(SNS)探索这个谜题，SNS是美国能源部橡树岭国家实验室科学用户设施办公室。测量中子束(一种亚原子粒子)如何散射晶体中的原子，可以提供有关原子尺度排列的宝贵信息。扎里兹尼亚克说，这种材料特别适用于x射线看不见的氟等轻质材料。
扎里兹尼亚克听说了这项工作，他指出，他的同事埃米尔·博津(Emil Bozin)是另一种不同的中子散射分析技术的专家，他可能会进一步了解这个问题。博津的方法被称为“对分布函数”，它描述的是在一种物质中发现两个原子间隔一定距离的概率。然后，计算算法对概率进行排序，以找到最适合数据的结构模型。
Zaliznyak和Bozin与加州理工学院的团队合作，利用加州理工学院的ScF3样本在SNS中收集数据，以跟踪相邻原子之间的距离如何随着温度的升高而变化。
戴维·温特(David Wendt)是一名学生，他在高中二年级(现在是斯坦福大学(Stanford University)的大一新生)开始在扎里兹尼亚克的实验室进行布鲁克黑文实验室(Brookhaven Lab High School Research Program)的实习，负责大部分数据分析工作。在高中时代，他一直致力于这个项目，并获得了论文第一作者的位置。
“大卫基本上把数据简化成我们可以用我们的算法分析的形式，将数据拟合，组成一个模型来模拟氟原子的位置，并做了统计分析，将我们的实验结果与模型进行比较。他所做的工作就像一个优秀的博士后所做的一样!”Zaliznyak说。
Wendt说:“我非常感谢Brookhaven实验室提供给我的机会，让我通过他们的高中研究项目为原创研究做出贡献。”
结果:“软”的运动在一个固体
测量结果表明，钪和氟之间的键并没有随着温度的升高而改变。“事实上，它们会微微膨胀，”扎利兹尼亚克说，“这与大多数固体膨胀的原因是一致的。”
但相邻氟原子间的距离随着温度的升高而高度变化。
“我们一直在寻找氟原子保持固定结构的证据，而我们的发现恰恰相反!”Zaliznyak说。
布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(另一个科学用户设施办公室)的软凝聚态理论专家Alexei Tkachenko为解释这一意外数据做出了重要贡献。
由于氟原子似乎并不局限于固定的位置，这种解释可以借鉴阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)最初提出的一个更古老的理论，即通过单独考虑每个原子来解释原子运动。令人惊讶的是，最终的解释表明ScF3的热收缩与软物质聚合物的行为有显著的相似性。
Zaliznyak解释说:“由于每个钪原子与氟原子之间都有一个刚性的键，所以构成晶体立方体侧面的氟化钪‘链’的作用与聚合物的刚性部分类似。”然而，立方体两侧中心的氟原子不受任何其他化学键的约束。因此，随着温度的升高，“约束不足”的氟原子可以在垂直于刚性Sc-F键的方向上自由振动。这些横向的热振荡将立方晶格四角的Sc原子拉得更近，导致类似于聚合物的收缩。
应用的热匹配
这一新的认识将提高科学家预测或策略性地设计材料在预期温度变化的应用中的热响应的能力。例如，用于精密加工的材料在加热和冷却的情况下应该表现出较小的变化，以便在所有条件下保持相同的精度。在医疗应用中使用的材料，如牙齿填充物或骨替代物，其热膨胀性能应与它们所嵌入的生物结构的热膨胀性能密切匹配(想想看，当你喝热咖啡时，如果你的填充物膨胀而牙齿收缩，那将是多么痛苦啊!)在半导体或海底光纤传输线中，绝缘材料的热膨胀应与功能材料的热膨胀相匹配，以避免妨碍信号的传输。
Zaliznyak指出，类似于ScF3的受限开放框架结构也存在于铜氧化物和铁基超导体中——人们认为，在这些材料不带电阻地输送电流的能力中，晶格振动发挥了作用。
“在这些开放框架结构中原子的独立振动可能会以我们现在可以计算和理解的方式对这些材料的特性做出贡献，”Zaliznyak说。他补充说:“它们可能实际上解释了我们自己的一些实验观察，这些观察在这些超导体中仍然是一个谜。”
扎里兹尼亚克说:“这项工作极大地受益于美国能源部国家实验室的重要优势，包括独特的能源部设施和我们开展长期项目的能力，在这些项目中，随着时间的推移，重要贡献不断积累，最终以一项发现而结束。”“它代表了不同的专业知识在合作者之间的独特融合，包括一个专注的高中生实习生，我们能够为这个项目整合协同。”没有所有团队成员提供的专业知识，就不可能成功地开展这项研究。”
——文章发布于2019年11月1日
