近日，東京理工學院（Scientists at Tokyo Institute of Technology）的科學家們合成了一種含有鋯、硫、磷的晶體氧化物，它表現出獨特的熱膨脹特性可以解決復合材料（如芯片、基板組件）遇到的過熱損壞問題。

目前大多數工業級材料的熱膨脹系數（CTE）都是正的，因為受熱時原子運動導致距離變大，材料會顯示出膨脹性，這回使其在“極端”溫度下表現不佳甚至失效。但也有少數材料具備相反的熱膨脹特征，比如因瓦合金的負熱膨脹。

東京理工科研團隊負責人Toshihiro Isobe解釋，“復熱膨脹可以歸因為相變和框架兩種類型機制作用”，雖然都已有工業應用，但各有利弊。相變材料的負熱膨脹系數大，但可用溫域范圍窄，限制了實際應用，特別是當其作為復合材料填料使用；而框架型材料雖然可以在較寬溫域工作，但熱膨脹系數絕對值小，因此作用效果往往不達預期。多年來，上述兩者間隔的折中方案從未被報道過。

此次合成材料的分子式為Zr₂SP₂O₁₂，Isobe博士將其描述為“一種負CTE材料，當加熱時，它同時顯示出相變和框架型兩種機制。”具體來說，這種材料在不同溫度下顯示出不同機制為主導的特征。比如，在393K（約120℃）-453K（約180℃）之間，材料會迅速收縮變形，這是相變機制發生作用；而在這個區間之外，收縮不明顯，研究人員在微觀層面可以觀察到原子之間距離和角度發生微小變化，這是框架機制的特征。

此外還有比較有趣的現象，研究人員發現盡各種硫原子含量較少時，晶體在相變溫域下更易變形，從而材料具備更高的負CTE，這有助于合成具有特定需求CET的新型晶體。這意味著材料工程師可以根據特定需要合成特定晶體，以調整材料性能。

論文地址：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/tiot-nco121820.php

編譯：YUXI