北京
最近，美国宾夕法尼亚大学杨圣松博士等和所在团队打造出一种全新材料，能在受热时像气球一样膨胀，遇冷时又能收缩回来，整个过程完全可逆，而且它的热胀冷缩能力比普通材料强上百倍。它还能像记忆合金一样，在不同的温度下变换内部结构。
事实上，这是一种由纳米晶体和液晶合作组成的超膨胀热可逆间隙固溶体，作为一款能像生命体一样针对环境温度做出剧烈、可逆响应的智能材料，它有望带来更加智能的传感器、能够自我调节的光学设备甚至新型的能量存储系统。
具体来说：在传感领域，它极高的热膨胀灵敏度可以被用于制造极其精密的温度传感器或微动开关；在光学领域，其晶格常数随着温度可以被大幅调整，故能被用于设计新型的可调谐光子晶体或滤光片，让设备根据温度自动调节颜色或透明性；在能源领域，其内部可逆的吸放机制，能够为设计新型的热能存储或转换材料提供灵感。
模仿钢铁的经典结构，打造超越传统认知的动态材料
要理解这种新材料，先得认识纳米晶体和液晶这两位材料界的迷你建造师。
纳米晶体是尺寸只有几个纳米的微小晶体颗粒，比头发丝还要细几万倍。科学家可以在它们的表面安装上特殊的小分子也就是配体，这就像给积木块转上带有特定形状的卡扣，能够控制它们彼此连接的方式。
液晶是一种奇特的物质状态，既可以像液体一样流动，其分子就能像晶体一样有序排列。事实上，我们的手表屏幕或者手机屏幕里可能都使用了液晶。而在本次研究之中，三位研究者使用了一种常见的液晶分子作为特别的溶剂，当处于低温的时候它们会排列成为有序的向列相，当处于高温的时候它们则会变成杂乱无章的各向同性相。
通常，纳米晶体可以自己组装成为有序的超晶格，就像使用一模一样的积木搭建出一座规整的城市。但是，之前的方法就像使用胶水粘合，一旦成型就很难改变。
本次研究的巧妙之处在于，团队让液晶分子来充当协调员和填充剂，为纳米晶体穿上了特制的外套，这种外套与液晶分子的关系很好。当混合物处于高温也就是液晶处于无序状态的时候，纳米晶体们会均匀地分散在液晶海洋里。
一旦温度降低，液晶分子开始排起整齐的队伍。有趣的是，排好队的液晶不太喜欢容纳纳米晶体这个异类，于是开始排挤它们。被聚集起来的纳米晶体们，在配体的引导之下，开始自发地、规整地堆叠起来，形成一座座的纳米晶体“城市”也就是超晶格。
会呼吸的超晶格和超级热胀冷缩
在建造超晶格的期间，并非所有液晶分子都被赶走了。而是一旦液晶分子被留在“城市”的街道和广场里，也就是纳米晶体之间的空隙里。这些被困在空隙里的液晶分子，就像“城市”里流动的居民。
当温度再次升高的时候，这些“居民”变得活跃起来，想从狭窄的街道跑到外面的广阔“农村”里。于是，它们的向外移动，推开了构成“城市”建筑的纳米晶体，导致整个超晶格的体积显著膨胀。当温度降低的时候，外面的液晶“居民”又觉得“城市”里更舒服，于是纷纷挤进空隙，同时纳米晶格本身也更愿意靠拢，从而让“城市”得到了整体收缩。
正是这种液晶分子在晶格内外进出的独特机制，赋予了这种材料以惊人的热胀冷缩能力。它的热膨胀系数比普通塑料大几十倍，甚至超过了理想气体，实现了真正的超级膨胀与收缩。
团队同样发现通过更换不同材料的纳米晶体以及设计不同的配体，或者使用不同种类的液晶，还可以精确调控这座纳米“城市”的样貌和性质。
比如，甚至改变设计方案甚至可以让纳米“城市”的整体结构发生可逆的转变，这就像把一座由立方体房间组成的楼房即面心立方结构，变成房间被拉长了的另一种楼房即体心四方结构。这类似于钢铁中奥氏体向马氏体的著名相变，为材料赋予了响应温度而变化的记忆能力与变形能力。
杨圣松告诉 DeepTech：“研究过程中，有几件令我比较难忘或印象深刻的事情。首先是需要做大量的原位研究，我们在布鲁克海文国家实验室利用同步辐射 X 射线进行实验。这类实验通常会一次性批准 48 小时、72 小时甚至更长的机时。所以我们几个人，包括线站合作者，在那边轮班通宵做实验。我们一直盯着屏幕，看每秒或每十秒采集一次的数据在这个过程中如何变化，这些工作常常持续到凌晨，虽然辛苦但确实很有意思。”
当他和合作者发现神奇现象或能复现一些意料之外的现象时，即便来不及当场分析数据，也知道这肯定很有趣，心里会一直记着，等有时间分析时再去挖掘。通过大家的努力，最终相关论文成功发表在 Nature Materials 上。
参考资料：
相关论文 https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3
排版：刘雅坤
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