在加热时缩小晶体后面的迷人秘密

该动画显示了在加热时氟化钪的固体晶体。虽然钪（绿色）和氟原子（蓝色）之间的键保持相对刚性，但是沿着立方晶体的侧面的氟原子独立地振荡，导致相邻的氟原子之间的宽范围距离。温度越高，晶体侧面的弯曲越大，导致总收缩（负热膨胀）效应。

发现产生与电子，医学，电信等材料相关的异常行为的新定量描述。

美国能源部的科学家们的布鲁克霍夫国家实验室有新的实验证据和一种解决了一个长期材料科学的预测理论：为什么某些结晶材料在加热时缩小。他们的工作刚刚发表于今天（2019年11月1日）科学的进步，可能具有广泛的应用程序在医学，电子和其他领域的特定应用中匹配材料性质，甚至可以为非传统超导体提供新的洞察力（携带电动的材料电流没有能量损失）。

证据来自氟化钪晶体（SCF3）的晶体中原子之间的距离的精确测量，其在升高的温度下已知其不寻常的收缩（也称为“负热膨胀”）。所发现的科学家是一种新型的振动运动，导致这些立方体形状的侧面，看似实心的晶体在加热时扣紧，从而将拐角拉在一起。

“通常，随着一些东西，它膨胀了，”布鲁克霍夫医药主义伊戈罗萨尼克说，他领导了该项目。“当你加热东西时，原子振动幅度的增加，整体材料尺寸增加以适应更大的振动。”

Igor Zaliznyak，Brookhaven实验室的物理学家炼狱物理和材料科学部门（右），带领一个科学家团队，包括实验室中心的Alexei Tkachenko，用于破译氟化钪在加热时缩生的机制。

然而，这种关系不适用于某些柔性材料，包括链状聚合物，例如塑料和橡胶。在这些材料中，增加的热量仅增加垂直于链的长度的振动（图像侧向夹具弦弦的横向振动）。那些横向振动将链的端部拉动在一起，导致总收缩。

但是氟化钪呢？用坚实的立方晶结构，它看起来不像聚合物 - 至少乍一看。此外，无论是晶体晶体中的原子都必须保持相对取向的广泛假设，无论晶体尺寸如何，左物理学家都混淆了解释了这种材料在加热时缩小的方式。

中子和专门的学生救援

来自加利福尼亚州理工学院（CALTECH）的一组群体正在使用一种方法来探索散装中子源（SNS）的这种神秘，在橡树岭国家实验室的一家科学用户设施办公室。测量中子梁的光束如何，晶体中的晶粒粒子，散射在晶体中的原子散射可以提供有关其原子级布置的有价值的信息。Zaliznyak说，它对像氟比斯看不可见的氟像氟一样特别有用。

听到这项工作，Zaliznyak指出，他的同事们，Emil Bozin，一个不同中子散射分析技术的专家，可能会推进对这个问题的理解。Bozin的方法，称为“成对分布函数”，描述了在材料中占据一定距离分开的两个原子的概率。计算算法然后通过概率排序以找到最适合数据的结构模型。

科学家们在橡木岭国家实验室的亮相中子源上使用中子散射，研究了某些结晶材料在加热时收缩的原因。

Zaliznyak和Bozin与Caltech团队配对，使用CALTECH的SCF3样品在SNS中收集数据，以跟踪相邻原子之间的距离如何随温度的增加而变化。

David Wendt是一名开始在Zaliznyak的Brookhaven Lab高中研究计划实习的学生，在高中学年（现在是斯坦福大学的一位新生），处理了大部分数据分析。他继续在他的高中日致力于该项目，赚取第一个作者的位置。

“David基本上将数据减少到我们可以使用我们的算法分析的形式，拟合数据，组成了模型来模拟氟原子的位置，并进行统计分析，以将我们的实验结果与模型进行比较。他所做的工作量就像是一个好的博士后会做的事情！“Zaliznyak说。

“我非常感谢机会Brookhaven Lab提供通过他们的高中研究计划促进原创研究，”Wendt说。

结果：坚实的“软”运动

测量结果表明，钪和氟之间的键在加热中真正改变。“事实上，他们略微扩张，”Zaliznyak说，“这是符合为什么大多数固体膨胀的原因。”

但随着温度的增加，相邻氟原子之间的距离变得高度变化。

“我们正在寻找证据表明氟原子始终处于固定配置，正如始终被认为，我们发现相反！”Zaliznyak说。

关于该研究的其他共同主唱包括（从左侧）凯特页面，以前是橡树岭国家实验室，布鲁克州实验室物理学家Emil Bozin，以及Ornl仪器科学家Joerg Neuefeind。

Alexei Tkachenko是Brookhaven Lab功能纳米材料中心（另一个科学用户设施的另一个办事处）的软凝聚物理论专家对该意外数据的解释作出了重要贡献。

由于氟原子出现不限于刚性位置，因此解释可以利用最初由Albert Einstein开发的更旧的理论来解释通过考虑每个渗透原子的原子动作。令人惊讶的是，最终的解释表明，SCF3中的热诱导的收缩与柔软物质聚合物的行为显着相似。

“由于每个钪原子都有刚性与氟的刚性粘合，所以氟化钪的”链“形成结晶立方体的侧面（拐角处的钪）作用类似于聚合物的刚性部件，”Zaliznyak解释说。然而，立方体的每一侧的中心处的氟原子由任何其他键无束。因此，随着温度升高，“欠束”氟原子可以在垂直于刚性SC-F键的方向上自由地振荡。这些横向热振荡将立方格晶格的拐角较近地拉动SC原子，导致相似的收缩与聚合物中观察到的收缩。

用于应用的热匹配

这种新的理解将提高科学家的预测或策略性地设计材料的热响应，适用于预期温度变化的应用。例如，精密加工中使用的材料应该理想地显示出对加热和冷却的响应时的几乎没有变化，以在所有条件下保持相同的精度。医疗应用中使用的材料，例如牙科填充物或骨骼替代品，应具有热膨胀性质，其与嵌入它们的生物结构密切匹配（思考您的填充在饮料饮酒时填充的困扰多么痛苦咖啡！）。在半导体或下部光纤传输线中，绝缘材料的热膨胀应匹配功能材料的避免阻抗信号传输。

Zaliznyak指出，SCF3中的欠束开放框架架构也存在于氧化铜和基铁的超导体中 - 其中晶格振动被认为在这些材料中发挥作用的携带没有阻力的电流。

“这些开放式框架结构中的原子的独立振荡可能会以我们现在可以计算和理解的方式有助于这些材料的性质，”Zaliznyak说。“他们可能实际上解释了我们自己的一些实验观察，这仍然是这些超导体中的谜团，”他补充道。

“这项工作深刻地受益于司机国家实验室的重要优势 - 包括独特的DOE设施，以及我们有长时间项目的能力，在这一发现中的重要贡献随着时间的推移而积累，”Zaliznyak说。“它代表了共同忠诚的不同专业知识的独特交汇，包括专门的高中学生实习生，我们能够为该项目协同融合。如果没有所有团队成员提供的专业知识，就无法成功开展这项研究。“

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参考：David Wendt，Emil Bozin，Joerg Neuefeind，Katharine页，Limin Wang，Brent Fultz，Alexei V.Tkachenko和Igor A. Zaliznyak，2019年11月1日，埃格莱兹，魏库，利林王，Zaliznyak。 Propance.doi：
10.1126 / sciadv.aay2748

Brookhaven Lab在这项工作中的角色由Doe Science办公室资助。

布鲁克黑文国家实验室得到了美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大基本研究支持者，正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。