近日，郑州大学物理学院高其龙副教授、孙强教授和北京科技大学的陈骏教授合作，基于平均原子晶格体积概念，发现巨负热膨胀新材料NaB(CN)4，其理论质量密度接近1g/cm3，推动负热膨胀材料设计进入超轻时代。该研究成果的模拟计算部分得到了国家超级计算郑州中心“嵩山”超级计算机平台强大算力支持。相关研究成果发表在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。
在精密光学、微机械和微电子器件等需要尺寸稳定性的技术应用中，热膨胀控制是一个关键科学问题。负热膨胀(NTE)材料的出现为有效剪裁热膨胀带来了巨大希望。为了满足在宽温度范围内具有低热膨胀的工程应用需求，在不影响基体性能的前提下，添加材料的热膨胀性能和数量至关重要。此外，用于空间卫星和航天器时，负热膨胀材料的密度成为满足超轻应用要求的关键因素。因此，发现和设计具有超低密度性能的高性能负热膨胀材料在实际应用中具有重要意义。
图1. （a）NaB(CN)4的晶体结构示意图;；（b）常见的NTE材料的质量密度图。
图2.（a）低频区（< 250 cm-1）声子色散曲线和声子态密度图；(b)低频区域（< 100 cm-1）模式格林艾森参数着色图；具有最大负格林艾森参数的振动模式（c）24.7 cm-1，gi = -12.9和（d）46.0 cm-1，gi = -9.7。
本研究发现NaB(CN)4在100 K-200 K温度范围内具有巨大的负热膨胀行为，其负热膨胀量级远远大于所有具有开框架结构的氧化物、氟化物以及同类型的普鲁士蓝类似物。并且NaB(CN)4相较于其他的负热膨胀材料，具有更大的体积收缩率和更低的质量密度。其次DFT计算表明，NaB(CN)4的负热膨胀主要是由低频处的光学模式贡献，其中对体系负热膨胀贡献最大的振动模式属于非刚性单元模，这种模式为解释负热膨胀机理提供了新的见解。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202401302