如图所示为物理系的研究生SahanHandunkanda手握的三氟化钪晶体。照片来源:康州大学的Peter Morenus。

大多数材料在受热时膨胀，冷却时收缩。但是，康涅狄格大学(康州大学)的物理学家Jason Hancock一直致力于发生逆向反应的物质的研究，该物质在受热时收缩。

虽然热膨胀、开裂和翘曲作为十分常见的结果，每天都在建筑、桥梁、电子产品和其他任一何物质受热时发生，但物理学很难解释为什么固体会有这种行为。

Hancock和他的同事们研究的材料为三氟化钪，这是一种负热膨胀材料，他们将研究结果发表在《物理评论B》上，该研究可以更好地解释材料体积随温度变化的行为，作为更耐用的电子产品，具有潜在的应用价值。

我们用经典的方式解释如玻璃、金属和石材是由原子通过弹簧连接在一起形成的材料。受热时，弹簧发生弹性形变。但是材料每次的膨胀，给周边的弹簧带来压力，使得所有邻近的弹簧都拉伸相同的程度。由于施加的压力相同，材料和邻近的弹簧迫使原子间是对称的，材料应该显示同向拉伸。

Hancock说：“在很多方面，该模型已经体现出了优越性。它解释了x射线和中子非弹性散射以及很多其他的光学现象、声波的速度、弹性和热传导现象，甚至解释了一些超导体的转变温度。但这并不能很好地解释热膨胀现象。”

由于三氟化钪的独特的性质，Hancock和研究生SahanHandunkanda决定以三氟化钪为线索进行研究，来寻找更典型的材料。实验表明，在高温下(约1100 K或2000 F)，三氟化钪大幅收缩;在更高的温度1800 K(2780 F)下依然保持稳定的立方晶体结构。很少有材料可以拥有如此稳定的结构;当温度达到2780 F时，大多数材料会发生相变，在此期间它们的原子位置发生移动。

在观察到三氟化钪的受热收缩性质之后，研究人员决定用x射线探测在非常低的温度（接近绝对零度）下晶体中的原子。为了完成这项研究，他们需要用到完美的三氟化钪晶体，这是一种很难得到的物质。经过搜索，他们发现所需的完美晶体的唯一来源是西伯利亚Kirensky物理研究所的Vladimir Voronov带领的研究小组。Voronov同意给他们邮寄三氟化钪晶体，他们在阿贡国家实验室利用的x射线源进行探测。

研究人员利用x射线束照射到完美晶体上，得到三氟化钪晶体的能量，并得出散射的x射线能量。通过探测损失的x射线能量和晶体的衍射角，研究人员可以计算出三氟化钪原子移动的距离。

Hancock说：“当x射线散射时，会发生晶格振动。甚至在绝对零度下，三氟化钪分子列像一个小八面体一样在旋转。

在接近绝对温度的情况下，材料发生扭曲是不常见，这意味着材料的结构比大多数在绝对零度的材料都“软”。研究人员观察到的三氟化钪的分子结构从未进行相转变，即使温度接近绝对零度。绝对零度附近的相转变称为量子相变，这是物理学领域的研究范畴，这种相转变可以解释材料的性质。

在研究发现受热时收缩的材料可能会存在巨大的量子力之后，Hancock和Handunkanda决定进一步探索该实验在理论上的意义。

直观地看，三氟化钪等晶体结构相类似的材料在未来可以用于电子产品，这种电子产品器件在受到热应力的情况下不产生裂纹或断裂。

资讯来源:康涅狄格大学。

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮