热胀冷缩与热缩冷胀,遇到热胀冷缩该怎么办

据“每日科学网”11月1日报道，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（BNL）的科学家们在《科学进展》杂志发文称，他们找到了部分晶体材料加热时收缩的原因。该成果有望为医学、电子和非传统超导体等领域提供新的见解。

氟化钪（ScF3）在高温条件下会出现不同寻常的收缩现象（“负热膨胀”）。科学家们在精确测量了ScF3晶体中的原子间距后，发现这种收缩现象实际上是一种新形式的振动运动。正是“新振动”让这些立方体晶体的侧面在受热时产生了弯曲。项目负责人、BNL物理学家Igor Zaliznyak说：“当你加热物质时，其原子振动的幅度会增大，这会使材料的整体尺寸增大，以适应更强的振动。”

然而，这种规律并不适用于塑料、橡胶等柔性材料。加热这类链状聚合物材料，只会增强与链段延伸方向垂直的振动。这些横向振动将链条两端拉得更近，导致材料整体收缩。那么作为晶体固体的ScF3，似乎与链状聚合物似乎毫无关联，为何它也会受热收缩呢？此外，人们普遍认为，无论晶体尺寸如何，固体晶体中的原子必须保持它们的相对位置。这两个疑问让物理学家们百思不得其解。对此，加州理工学院（CIT）的研究人员用散裂中子源（SNS）对晶体原子的排列问题进行了分析。利用SNS，研究人员可以获得了有关原子排列的宝贵信息。

Zaliznyak在实验中发现，Sc和F之间的化学键并未随着温度的升高而改变。他说：“实际上，Sc—F键有些许膨胀，它与大多数固体的膨胀情况一致。”然而，相邻氟原子之间的距离随着温度的升高，出现了显著的变化。BNL功能纳米材料中心软凝聚态理论专家Alexei Tkachenko为破译这一“反常变化”提供了重要帮助：由于氟原子并不局限于固定位置，他必须借鉴爱因斯坦的“单独考虑每个原子解释原子运动”的观点解释其振动情况。Zaliznyak说：“构成晶体立方体侧面的Sc—F键是刚性键，它体现的‘链段作用’与聚合物的刚性有点类似。然而，立方体两侧中心的氟原子不受其他化学键的约束，在温度升高时可以在垂直于Sc—F键的方向上自由振动。这导致立方晶格四角的Sc被拉得更近了，并最终产生收缩现象。”

这一全新的认识有望大幅度提高科学家预测、设计热响应材料的能力。例如，牙医使用的牙齿填充物或骨替代物将会与嵌入的生物结构有更好的热膨胀匹配性。这可以让病人在喝热咖啡时，不必再担心填充物膨胀、牙齿收缩带来的痛苦。Zaliznyak表示，在铜氧化物、铁基超导体中，也存在与ScF3类似的受限开放框架结构。深入研究这类结构中的原子独立振动情况，对非常规超导材料的开发颇具意义。

原创编译：雷鑫宇 审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191101143955.htm

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什么是热缩冷胀

热缩冷胀的原理是怎样的？

在我们的生活中，物体热胀冷缩的例子数不胜数，但并不是所有物体都是热胀冷缩的。比如夏天我们为了快速冰镇一下啤酒，可以将啤酒放在冰箱冷冻室中，但如果时间太长，啤酒瓶就会炸裂。这除了由于玻璃瓶冷缩外，还因啤酒中的水结冰后体积膨胀所造成。这与烧水时水受热膨胀的情况恰好相反，如何解释这种现象呢？

自然界中有少数物质的脾气很古怪，它们不是热胀冷缩，而是热缩冷胀，也叫反常膨胀。4℃以下的水就具有这种非同寻常的特性。水在4℃时的密度最大，体积最小。温度逐渐下降时，它的体积反而在逐渐增大，结成0℃的冰时，它的体积不是缩小而是胀大，比原来大约要增大十分之一。

由于4℃的水密度最大，所以在北方寒冷的冬天里，河的表面结了厚厚的一层冰，但在冰层的下面，水温总保持在4℃左右，这为水中生物提供了生存的良好环境。