科学家研制出了一种新型合金，它由多种金属构成，在极宽的温度范围内几乎表现出零热膨胀。

大多数金属在温度升高时会膨胀。例如，由于热胀冷缩，埃菲尔铁塔夏天比冬天高出约10到15厘米。然而，在许多技术应用中，这种效应是极不受欢迎的。因此，研究人员长期以来一直在寻找一种无论温度如何都能保持长度不变的材料。因瓦合金就是这样一种材料，它是一种铁镍合金，以极低的热膨胀性而闻名。然而，直到最近，这一特性的物理原理仍不明确。

如今，维也纳技术大学（TU Wien）的理论研究人员与北京科技大学的实验人员展开合作，取得了重大突破。他们利用复杂的计算机模拟，详细阐释了因瓦效应，并开发出一种所谓的烧绿石磁体——一种热膨胀性能甚至优于因瓦合金的合金。在超过400开尔文的极宽温度范围内，其长度每开尔文仅变化十万分之一左右。

热膨胀及其对抗因素

“材料的温度越高，其原子就越倾向于运动——而原子运动得越多，它们就越需要空间。它们之间的平均距离会增加，”来自维也纳工业大学（TU Wien）维也纳科学集群（VSC）研究中心的谢尔盖·赫梅列夫斯基博士解释道。“这一效应是热膨胀的基础，无法避免。但我们可以制造出另一种材料，在这种材料中，热膨胀效应几乎可以被另一种补偿效应完全抵消。”

谢吉·赫梅列夫斯基（Segii Khmelevskyi）及其团队开发了复杂的计算机模拟程序，可用于分析磁性材料在有限温度下的原子级行为。“这使我们能够更深入地了解为何因瓦合金几乎不膨胀，”赫梅列夫斯基表示。“随着温度的升高，某些电子会改变其状态，从而产生这种效应。材料中的磁序会减小，导致材料收缩。这一效应几乎完全抵消了通常的热膨胀。”

人们已经知道，材料中的磁有序是引起因瓦效应的原因。但只有在维也纳计算机模拟的帮助下，才有可能如此精确地理解这一过程的细节，从而可以对其他材料做出预测。谢尔盖·赫梅列夫斯基说：“现在首次有了可以对新型零热膨胀材料的开发做出具体预测的理论。”

具有 Kagome 平面的烧绿石磁体

为了在实践中检验这些预测，谢尔盖·赫梅列夫斯基（Sergii Khmelevskyi）与北京科技大学固态化学研究所邢献然教授和曹义力副教授的实验团队合作。目前双方合作已取得成果：即所谓的烧绿石磁体。

与以往仅由两种不同金属组成的因瓦合金不同，烧绿石磁体由四种成分组成：锆、铌、铁和钴。曹义力表示：“这是一种在空前宽广的温度范围内具有极低热膨胀系数的材料。”

这种显著的温度特性与烧绿石磁体不具备总是以完全相同方式重复自身的完美晶格结构有关。该材料的组成并非在每个点上都是相同的，而是具有异质性。某些区域含有的钴稍多，某些区域含有的钴稍少。这两个子系统对温度变化的反应各不相同。这使得材料组成的细节能够逐点平衡，从而使整体热膨胀几乎为零。

这种材料在温度波动极大或测量技术精确的应用中可能会特别有用，如航空、航天或高精度电子元件等领域。

参考文献：2024年12月17日发表于《国家科学评论》（National Science Review）的“非化学计量比烧绿石磁体中局部化学非均质性实现优异零热膨胀”一文，作者为颜明孙、于若寒、谢尔盖·赫梅列夫斯基、加藤健一、曹艺丽、胡世鑫、马克西姆·阿夫杰耶夫、王进伟、于成义、李强、林坤、匡小军和邢先然。DOI：10.1093/nsr/nwae462