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科学家的突破：如何在单一物质中实现负热膨胀的奇妙现象？
负热膨胀（NTE）是一种不寻常的物理化学过程，某些材料在加热时会收缩，而不是像大多数其他材料那样膨胀。这一现象最著名的例子是水在0到3.98°C之间的表现。固态水（冰）的密度低于液态水在标准压力下的密度，这是水的NTE现象的原因，使得冰在水面上漂浮，而不是沉下去。
能够实现负热膨胀的材料可能在工程、光电、电子和结构应用中具有广泛的潜力。
研究显示，当一些材料被用作热膨胀补偿材料与正常膨胀的材料混合时，可以制作出具有定制或接近零热膨胀的复合材料。
负热膨胀的起源
负热膨胀的起源可以归结于一些物理过程，包括横向振动模式、刚性单元模式和相变化。 2011年，研究者发现NTE现象源于高压、低体积配置的存在，这些配置在稳定相矩阵中透过热波动而显现出来。这使得他们能够预测在某些材料中出现的巨大的正热膨胀（在氯化钼中）和无限的负热膨胀（在Fe3Pt中）。
在密闭系统中的负热膨胀
负热膨胀通常在非紧密堆积系统中观察到，例如冰、石墨烯等。但最近一篇论文显示，单成分的紧密堆积晶格也可以实现NTE行为。该文提出了一个潜在的足够条件，使得在基本距离时可以产生NTE现象，这需要考虑到原子间的相互作用。
这一现象在一维的情况下是必要且充分的，而在二维和三维则只需是充分的，但并非必要。
负热膨胀的材料
或许被研究最多的负热膨胀材料是铌钨酸盐（ZrW2O8）。这一化合物在0.3至1050K的温度范围内持续收缩。其他展现NTE特性的材料包括其他AM2O8家族的成员以及HfV2O7和ZrV2O7等等。这些材料的均匀性使得它们在工程应用中更具价值，因为在三个维度上它们的NTE是一致的，便于用作热膨胀补偿器。
在低温下的冰还能显示出负热膨胀的特性，这在工程中是相当有用的。
应用前景
将传统的正热膨胀材料与具有异常负热膨胀特性的材料结合，将有助于调控复合材料的整体热膨胀率，甚至实现接近零的热膨胀率。这在工程中尤其重要，例如在精密仪器的应用中，当需要材料在广泛的温度范围内保持稳定性能时。
日常生活中，围绕着零热膨胀率材料的需求也非常显著。例如，陶瓷玻璃炉具必须承受剧烈的温度变化。同时，如果牙科填充材料的膨胀率显著不同于牙齿，可能会引发牙痛，因此使用被设计为与牙釉质的膨胀一致的复合材料，可以避免此类问题。
面对这些材料的神奇现象，科学界将会如何进一步拓展这一研究的边界呢?
