大多数金属在受热时会膨胀，但像Invar这样的材料由于磁序的变化能抵抗这种现象。 维也纳工业大学（TU Wien）和北京科技大学（UST Beijing）的研究人员通过模拟研究了这一效应，从而开发出一种热稳定性更好的焦磷酸磁体，适用于更广的温度范围。 来源：维也纳工业大学（TU Wien）
科学家们开发了一种由多种金属组成的新型合金，在极宽的温度范围内几乎不发生热膨胀。
大多数金属在温度升高时会膨胀。例如，埃菲尔铁塔在夏季比冬季高出约10到15厘米，这是热膨胀的结果。然而，这种效应对于许多技术应用来说是非常不理想的。因此，研究人员长期以来一直在寻找一种能够在任何温度下保持恒定长度的材料。其中一种材料是Invar，这是一种以极低热膨胀系数闻名的铁镍合金。然而，这种特性的物理机制直到最近才被完全理解。
如今，维也纳工业大学的理论研究团队与北京科技大学的实验研究人员合作取得了重大突破。通过复杂的计算机模拟，他们详细揭示了Invar效应的机理，并开发了一种所谓的焦磷酸磁体。这种合金的热膨胀性能甚至优于Invar。在超过400开尔文的极宽温度范围内，其长度变化每开尔文仅约十万分之一。
### 热膨胀与其对抗机制
“材料温度越高，原子运动越剧烈——而原子运动加剧意味着它们需要更多空间，原子间的平均距离随之增大，”维也纳工业大学维也纳科学集群（VSC）研究中心研究员Sergii Khmelevskyi博士解释道，“这是热膨胀的基本原理，无法避免。但我们可以制造出另一种效应几乎完全抵消热膨胀的材料。”
Sergii Khmelevskyi及其团队开发了复杂的计算机模拟程序，用于分析磁性材料在有限温度下原子层面的行为。“这使我们能够更好地理解因瓦合金几乎不膨胀的原因，”Khmelevskyi表示，“这种效应源于某些电子在温度升高时改变其状态。材料中的磁有序性降低，导致材料收缩。这种效应几乎完全抵消了通常的热膨胀。”
此前已知材料中的磁有序性是因瓦效应的原因，但只有通过维也纳团队的计算机模拟，才能如此精确地理解这一过程的细节，从而对其他材料做出预测。“这是首次提出一种理论，能够为开发零热膨胀新材料提供具体预测，”Sergii Khmelevskyi说道。
具有Kagome平面的焦磷酸磁体
为了在实践中验证这些预测，Sergii Khmelevskyi与北京科技大学固体化学研究所的实验团队合作完成了这项研究，团队成员包括邢献然教授和曹一黎副教授。这项合作的成果现已发布：所谓的焦磷酸磁体。
与仅由两种不同金属组成的传统Invar合金相比，焦磷酸磁体包含四种成分：锆、铌、铁和钴。曹一黎表示：“这是一种在前所未有的宽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焦磷酸磁体的不完美晶格结构有关。其晶格并非始终以完全相同的方式重复排列。材料的组成在每个点并不相同，而是异质的。有些区域含有更多的钴，有些则含量较少。这两个子系统对温度变化的反应不同，从而使材料的组成细节能够逐点平衡，使整体的热膨胀几乎为零。
这种材料在极端温度波动或精密测量技术中可能具有特别的应用价值，例如航空航天或高精度电子元件领域。
