有一類材料的體積在一定溫區(qū)內(nèi)保持不變，稱為零膨脹材料，在很多重要的科學(xué)工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。目前已有的絕大多數(shù)零膨脹材料是通過將具有負(fù)熱膨脹性質(zhì)的材料加入到其它不同材料中，通過化學(xué)修飾的手段控制其膨脹率，形成零膨脹狀態(tài)。而純質(zhì)無摻雜的零膨脹晶體材料因為能夠更好地保持材料固有的功能屬性，在各個領(lǐng)域更具應(yīng)用價值。但由于在晶格中實現(xiàn)負(fù)熱膨脹與正膨脹之間的精巧平衡十分困難，純質(zhì)無摻雜晶體材料中的零膨脹現(xiàn)象非常罕見。迄今為止僅在七種晶體中發(fā)現(xiàn)了本征的零膨脹性質(zhì)。同時，在目前已有的零膨脹晶體材料中含有過渡金屬或重原子，其透光范圍僅僅截止于可見波段，因此探索具有良好透光性能的純質(zhì)無摻雜零膨脹晶體材料是熱功能材料領(lǐng)域及光學(xué)功能材料領(lǐng)域里科學(xué)價值的研究熱點。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所人工晶體研究發(fā)展中心研究員林哲帥課題組與北京科技大學(xué)教授邢獻然課題組合作，在單相硼酸鹽材料體系中發(fā)現(xiàn)了新型零膨脹材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料科學(xué)期刊《先進材料》上（Near-zero Thermal Expansion and High Ultraviolet Transparency in a Borate Crystal of Zn4B6O13, Adv. Mater.,DOI:10.1002/adma.201601816）。他們創(chuàng)新性地提出利用電負(fù)性較強的金屬陽離子限制剛性硼氧基團之間的扭轉(zhuǎn)來實現(xiàn)零膨脹性質(zhì)，并在立方相硼酸鹽Zn4B6O13（ZBO）中實現(xiàn)了各向同xin的本征近零膨脹性質(zhì)。

ZBO晶體具有硼酸鹽晶體中罕見的方鈉石籠結(jié)構(gòu)：[BO4]基團共頂連接形成方鈉石籠，[Zn4O13]基團被束縛在方鈉石籠中，[BO4]基團之間的連接處被較強的Zn-O鍵固定住。通過變溫X射線衍射實驗，證明了ZBO晶體在13K-270K之間的平均熱膨脹系數(shù)為1.00(12)/MK，屬于近零膨脹性質(zhì)，其中在13K-110K之間的熱膨脹系數(shù)僅為0.28(06)/MK，屬于零膨脹性質(zhì)。他們利用*性原理計算結(jié)合粉末XRD數(shù)據(jù)精修揭示了ZBO的近零膨脹性質(zhì)主要來源于其特殊的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的聲子振動特性：低溫下對熱膨脹有貢獻的聲子模式主要來源于剛性[BO4]基團之間的扭轉(zhuǎn)，剛性[BO4]基團之間的扭轉(zhuǎn)被較強的Zn-O所限制，使得其在13K-270K之間呈現(xiàn)出非常低的熱膨脹系數(shù)。

ZBO晶體具有良好的生長習(xí)性。林哲帥課題組與中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳少凡課題組合作，獲得高光學(xué)質(zhì)量的厘米級晶體。經(jīng)過測試表明，ZBO的透光范圍幾乎包含了整個紫外、可見以及近紅外波段，紫外截止邊是所有零膨脹晶體中zui短的。同時其還具有良好的熱穩(wěn)定性、高的力學(xué)硬度以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。綜合其優(yōu)良性能，ZBO晶體在應(yīng)用于低溫復(fù)雜環(huán)境中的高精度光學(xué)儀器，例如超低溫光掃描儀、空間望遠(yuǎn)鏡和低溫光纖溫度換能器中具有重要的科學(xué)價值。

許多硼酸鹽晶體材料在紫外波段具有良好的透過性能。同時，由于硼氧之間強的共價相互作用，硼氧基團內(nèi)部的鍵長鍵角隨溫度基本保持不變，而硼氧基團之間的扭轉(zhuǎn)能夠引起骨架結(jié)構(gòu)硼酸鹽的反常熱膨脹效應(yīng)。林哲帥課題組在上對硼酸鹽體系展開了反常熱膨脹性質(zhì)的探索。在前期工作中，他們與理化所低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研究員李來風(fēng)課題組合作，發(fā)現(xiàn)了兩種具有罕見二維負(fù)熱膨脹效應(yīng)的紫外硼酸鹽晶體（Adv. Mater. 2015, 27, 4851；Chem. Comm. 2014, 50, 13499），并對其機制進行了闡明（J. Appl. Phys. 2016，119, 055901）。

相關(guān)工作得到了理化所所長基金、國家自然科學(xué)基金以及國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）的大力支持。

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標(biāo)準(zhǔn)品對照品：進口對照品,進口對照藥材,進口標(biāo)準(zhǔn)品.
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