拟稿来源：空间环境与物质金宝搏手机登金宝搏app院（空间环境与物质作用全国重点实验室） | 图源：Nature Chemistry 论文
近日，金宝搏app官网下载空间环境与物质金宝搏手机登金宝搏app院（空间环境与物质作用全国重点实验室）与中国科学院理化技术研究所合作，在宽温域各向同性零热膨胀晶体材料研究方面取得重要进展。相关成果以“Isotropic zero thermal expansion in sodalite crystals from 11 to 893 K”为题，发表于 Nature Chemistry。论文报道了一种闭合方钠石结构晶体 Cd4Al6O12SO4（CASO），为极端热环境下高尺寸稳定材料的设计提供了新思路。
研究团队将由部分占位原子构成的柔性间隙基团引入闭合方钠石框架中。CASO 的 [AlO4] 四面体通过共角连接形成[Al12O24] 笼状骨架，S 原子位于笼中心并与部分占位 O2 配体形成无序 [SO4] 单元，Cd 与 O1/O2 构成 [CdO4] 基团。这种结构既保持了闭合框架的高热稳定性，又通过位置无序配体提供额外振动自由度，使热增强振动能够动态调节笼腔，缓解高温下横向振动模的阻尼。
所研发CASO 晶体在 11-893 K 范围内实现各向同性零热膨胀，平均线性热膨胀系数为 0.21(23)×10^-6 K^-1，并可保持结构完整性至约 1,100 K；其宽温域稳定性来源于分数占位柔性间隙单元维持横向振动模，从而抵消本征正热膨胀。此外，CASO 晶体还具有 275-3,600 nm 的宽透光窗口，热诱导光学波动至少比常规光学材料低两倍。
图1 CASO 宽温域零热膨胀设计思路：在闭合方钠石框架中引入分数占位柔性间隙单元，在保持热稳定性的同时释放横向振动自由度
国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置”在该工作中发挥了关键支撑作用。依托装置空间材料物理研究室的微观机理分析与跨温区结构原位表征能力，研究团队连续追踪 CASO 在不同温度和热循环条件下的晶格参数和相稳定性演化，为确认其宽温域无相变、无分解和近零热膨胀行为提供了直接证据。
在此基础上，研究团队结合变温同步辐射 X 射线衍射、变温拉曼光谱和第一性原理计算，进一步揭示了 CASO 的零膨胀物理机制：低温下，[Al12O24] 笼状框架中的常规单元旋转贡献负热膨胀；高温下，间隙 [CdO4] 四面体中位置无序 O2 配体的增强振动维持并放大横向振动模，产生的负膨胀贡献有效抵消本征正热膨胀。大科学装置获得的微结构演化信息由此成为连接宏观零膨胀性能与微观振动机制的关键桥梁。
图2 CASO 的晶体结构与热膨胀行为。变温衍射表明 CASO 在宽温区内无明显相变或分解，晶格参数近乎不变。
空间装备长期面临强温差、热循环、辐照和高精度指向需求，光学窗口、激光器件、星载导航与观测系统中的微小热变形都可能造成光轴漂移、信号退化或结构失配。CASO 同时具备宽温域尺寸稳定性、良好热稳定性和日盲紫外至红外透过能力，有望用于空间光学窗口、星载激光通信与导航、光频梳、高稳定光学基准和先进光刻等对热光学稳定性要求极高的场景。
该研究不仅提供了一种可服务极端热环境的高性能晶体材料，也提出了通过“分数占位柔性间隙单元”设计宽温域零热膨胀材料的通用策略，为未来空间环境适应性材料、精密光学元件和高可靠载荷结构的理性设计提供了新的材料基础。
