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科學家的突破：如何在單一物質中實現負熱膨脹的奇妙現象？
負熱膨脹（NTE）是一種不尋常的物理化學過程，某些材料在加熱時會收縮，而不是像大多數其他材料那樣膨脹。這一現象最著名的例子是水在0到3.98°C之間的表現。固態水（冰）的密度低於液態水在標準壓力下的密度，這是水的NTE現象的原因，使得冰在水面上漂浮，而不是沉下去。
能夠實現負熱膨脹的材料可能在工程、光電、電子和結構應用中具有廣泛的潛力。
研究顯示，當一些材料被用作熱膨脹補償材料與正常膨脹的材料混合時，可以製作出具有定制或接近零熱膨脹的複合材料。
負熱膨脹的起源
負熱膨脹的起源可以歸結於一些物理過程，包括橫向振動模式、剛性單元模式和相變化。2011年，研究者發現NTE現象源於高壓、低體積配置的存在，這些配置在穩定相矩陣中透過熱波動而顯現出來。這使得他們能夠預測在某些材料中出現的巨大的正熱膨脹（在氯化鉬中）和無限的負熱膨脹（在Fe3Pt中）。
在密閉系統中的負熱膨脹
負熱膨脹通常在非緊密堆積系統中觀察到，例如冰、石墨烯等。但最近一篇論文顯示，單成分的緊密堆積晶格也可以實現NTE行為。該文提出了一個潛在的足夠條件，使得在基本距離時可以產生NTE現象，這需要考慮到原子間的相互作用。
這一現象在一維的情況下是必要且充分的，而在二維和三維則只需是充分的，但並非必要。
負熱膨脹的材料
或許被研究最多的負熱膨脹材料是鈮鎢酸鹽（ZrW2O8）。這一化合物在0.3至1050K的溫度範圍內持續收縮。其他展現NTE特性的材料包括其他AM2O8家族的成員以及HfV2O7和ZrV2O7等等。這些材料的均勻性使得它們在工程應用中更具價值，因為在三個維度上它們的NTE是一致的，便於用作熱膨脹補償器。
在低溫下的冰還能顯示出負熱膨脹的特性，這在工程中是相當有用的。
應用前景
將傳統的正熱膨脹材料與具有異常負熱膨脹特性的材料結合，將有助於調控複合材料的整體熱膨脹率，甚至實現接近零的熱膨脹率。這在工程中尤其重要，例如在精密儀器的應用中，當需要材料在廣泛的溫度範圍內保持穩定性能時。
日常生活中，圍繞著零熱膨脹率材料的需求也非常顯著。例如，陶瓷玻璃爐具必須承受劇烈的溫度變化。同時，如果牙科填充材料的膨脹率顯著不同於牙齒，可能會引發牙痛，因此使用被設計為與牙釉質的膨脹一致的複合材料，可以避免此類問題。
面對這些材料的神奇現象，科學界將會如何進一步拓展這一研究的邊界呢?
