美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家有了新的實驗證據和一種預測理論，解決了長期存在的材料科學之謎：為什麼某些晶體材料在加熱時會收縮。

他們的研究成果剛剛發表在《科學進展》雜誌上，在將材料特性與醫學、電子學和其他領域的具體應用相匹配方面有著廣泛的應用，甚至可能為非傳統超導體(攜帶電流且無能量損耗的材料)提供新的見解。

證據來自於對氟化鈧(ScF3)晶體中原子間距離的精確測量，這種材料因其在高溫下不尋常的收縮而聞名(也被稱為“負熱膨脹”)。科學家們發現的是一種新型的振動運動，這種運動會導致這些立方體狀、看似固態的晶體在加熱時發生彎曲，從而拉近這些角的距離。

領導這項研究的布魯克海文物理學家伊戈爾·扎利茲尼亞克說：“通常情況下，當某些東西升溫時，它就會膨脹。當你加熱某樣東西時，原子振動的幅度會增大，而整體材料的尺寸也會增大，以適應更大的振動。”

然而，這種關係不適用於某些柔性材料，包括鏈狀聚合物，如塑料和橡膠。在這些材料中，增加熱量只會增加與鏈條長度垂直的振動(想象撥絃的橫向振動)。這些橫向振動將鏈條兩端拉得更近，導致整體收縮。

那氟化鈧呢？它是固體的立方晶體結構，看上去一點也不像聚合物。此外，人們普遍認為，無論晶體大小如何，固體晶體中的原子必須保持它們的相對方向，這讓物理學家們困惑不解，無法解釋這種材料在加熱時是如何收縮的。

來自加州理工學院的一個小組正在使用一種方法在散裂中子源(SNS)探索這個謎題。測量中子束（一種亞原子粒子）如何散射晶體中的原子，可以提供有關其原子尺度排列的有價值資訊。扎里茲尼亞克說，它特別適用於像氟這樣對X射線不可見的輕質材料。

扎里茲尼亞克聽說了這項工作，他的同事埃米爾·博津是另一種不同的中子散射分析技術的專家，他可能會進一步了解這個問題。博津的方法被稱為“對分佈函式”，它描述的是在一種物質中發現兩個原子間隔一定距離的概率。然後，計算演算法對概率進行排序，以找到最適合資料的結構模型。

扎里茲尼亞和博津與加州理工學院的團隊合作，利用加州理工學院的氟化鈧樣本在散裂中子源中收集資料，以跟蹤相鄰原子之間的距離如何隨著溫度的升高而變化。

結果：固體中的“軟”運動

測量結果表明，鈧和氟之間的鍵並沒有隨著溫度的升高而改變。扎里茲尼亞說：“事實上，它們會輕微膨脹，這與大多數固體膨脹的原因是一致的。”

但隨著溫度的升高，相鄰氟原子之間的距離變化很大。“我們一直在尋找氟原子保持固定構型的證據，我們發現恰恰相反！”扎里茲尼亞說。

布魯克海文實驗室功能奈米材料中心的軟凝聚態理論專家阿列克謝·特卡琴科為解釋這一意外資料做出了重要貢獻。

由於氟原子似乎並不侷限於固定的位置，這種解釋可以借鑑阿爾伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)最初提出的一個更古老的理論，即通過單獨考慮每個原子來解釋原子運動。令人驚訝的是，最終的解釋表明氟化鈧的熱收縮與軟物質聚合物的行為有顯著的相似性。

由於每個鈧原子與氟原子之間都有一個剛性的鍵，所以構成晶體立方體側面的氟化鈧‘鏈’的作用與聚合物的剛性部分類似。然而，立方體兩側中心的氟原子不受任何其他化學鍵的約束。因此，隨著溫度的升高，“約束不足”的氟原子可以在垂直於剛性鈧-氟鍵的方向上自由振動。這些橫向的熱振盪將立方晶格四角的鈧原子拉得更近，導致類似於聚合物的收縮。