東京工業大學于日前發表新發現了一款負熱膨脹材料，此材料同時具有相轉移(Phase Transition)與框架(Framework)兩種收縮機制，可在室溫～500℃的溫度范圍內發揮機能性，可望在光通訊、半導體等領域中作為熱膨脹抑制材料發揮作用。

既有的負熱膨脹材料難以同時擁有寬廣的作業溫度范圍與較大的負熱膨脹性。東京工業大學則利用合成Zr₂WP₂O₁₂的水熱合成法成功完成了Zr₂SP₂O₁₂的單相合成。據研究，這種新材料在室溫至約120℃、180℃以上的狀況時會藉由框架機制產生收縮；而約120℃～180℃的溫度范圍內則以相轉移機制收縮。

負熱膨脹材料的收縮機制大致可分為框架機制與相轉移機制，具有框架機制的材料在廣泛的溫度范圍呈現緩慢的負熱膨脹性，而擁有相轉移機制的材料則是在較狹窄的溫度區域內呈現較大的負熱膨脹性。東京大學指出，目前尚未發現同時具有兩項收縮機制的材料，故此次合成出的Zr₂SP₂O₁₂將是世界首項兼具兩種機制的材料。

材料的晶格體積的溫度依賴性對比

研究團隊進一步利用X光繞射調查晶格常數的變化，調查新材料的熱膨脹率，確認在寬廣的溫度范圍內具有負熱膨脹性。且透過里特沃爾德法解析收縮機制，確認框架機制的收縮主因在于構成結晶之ZrO₆八面體SO₄、PO₄四面體的結合角変化；相轉移機制形成的收縮則是ZrO₆八面體大幅歪曲所致。另一方面，透過改變Zr₂SP₂O₁₂合成時的熱處理溫度，可讓結晶內的SO₄任意產生缺損。SO₄約缺損10%的Zr₂S_0.9P₂O_12-δ，則顯示出從室溫~500℃寬廣溫度范圍內巨大的負熱膨脹性。

研究團隊稱，若通過元素置換等調整材料組成，將可望開發出具有更大負熱膨脹率的材料。此外，東京工業大學也將著手進行與聚合物材料的復合化，期推廣應用于5G、IoT裝置等用途開發上。

來源：材料世界網