摘要：物体加热会膨胀，挤压会收缩，这是最基本的物理规律。然而中美科学家团队4月16日在顶尖科学期刊《自然》发表重磅研究，发现了一种“不按常理出牌”的新材料，加热时反而会收缩，挤压时反而会膨胀，这项基础科学的重大突破，不仅彻底颠覆了我们的日常认知，还为未来科技进步开启

物体加热会膨胀，挤压会收缩，这是最基本的物理规律。然而中美科学家团队4月16日在顶尖科学期刊《自然》发表重磅研究，发现了一种“不按常理出牌”的新材料，加热时反而会收缩，挤压时反而会膨胀，这项基础科学的重大突破，不仅彻底颠覆了我们的日常认知，还为未来科技进步开启了无限可能。

这项研究的通讯作者是芝加哥大学普利兹克分子工程学院副教授张明浩（Minghao Zhang）、教授孟颖（Ying Shirley Meng）、中科院宁波材料技术与工程研究所刘兆平（Zhaoping Liu），第一作者是加州大学圣地亚哥分校访问学者，来自宁波材料技术与工程研究所的邱宝（Bao Qiu）。

科学来说，这种特殊材料最引人注目的特性就是：

负热膨胀（Negative Thermal Expansion, NTE）： 当你加热这种材料时，它非但不会像普通物体那样膨胀，反而会收缩！研究人员精确测量了这一现象，发现它的收缩效应还相当显著。

负压缩性（Negative Compressibility）： 如果你从四面八方用力挤压这种材料，按理说它应该被压缩得更小。但这种材料却表现出“倔强”的一面——它反而会膨胀！

这些行为听起来是不是很不可思议？它们确实与我们基于宏观经验和基础物理学（如热胀冷缩原理）的预期背道而驰。

那么，这种材料为何如此“叛逆”呢？科学家们发现，这与其内部的微观结构和一种叫做“氧还原（Oxygen-Redox, OR）”的化学过程密切相关。

简单来说，这种材料处于一种特殊的“亚稳态”（metastable state）。你可以把它想象成一个虽然不是最稳定、但也能暂时维持的状态。在这种状态下，材料内部的原子排列比较混乱。

解释负热膨胀： 当加热时，热能并没有主要让原子振动得更厉害导致膨胀，反而促使材料内部混乱结构变得更加有序和紧凑。这种结构上的“整理”效应超过了原子热运动的膨胀效应，导致宏观上看起来是收缩了。

解释负压缩性： 类似地，外部施加的巨大压力似乎“触发”了材料内部结构的某种调整，使其向体积增大的方向变化。

关键在于，这种材料的行为是由其特殊的化学状态（氧还原活性）和结构状态（亚稳态及无序-有序转变）共同决定的，而非仅仅是简单的原子热运动或弹性变形。

研究发现，这种材料的热膨胀系数竟高达-14.4(2) × 10^-6 °C^-1，负号表示是负热膨胀，这个数值是个什么概念呢？意味着它负膨胀效应的强度与常见金属的正膨胀效应相当，甚至比钢还强！

除了这些奇特的物理性质，这项研究还有一个极其重要的发现：可以通过施加电压来调控这种材料的结构状态！

这意味着什么？我们知道，很多电池（尤其是追求高能量密度的电池）在反复充放电后，内部材料结构会发生变化甚至劣化，导致性能下降，比如容量减少、电压降低，这就是我们常说的“电池老化”。

而这项新发现提供了一种可能性：未来或许可以通过特定的电化学方法（比如调整充电电压或施加特定电压脉冲），让已经“老化”的电池材料内部结构恢复到接近初始的、更有序的状态。研究表明，这种结构恢复的潜力可能非常高，这为解决长期困扰电池领域的电压衰减和寿命问题，提供了一个全新的、极具吸引力的思路。

当然，这种材料的潜力远不止于此，它还可以用于制造：

零热膨胀材料：通过精确调控，有望制造出在温度变化时尺寸几乎不变的材料。这在精密仪器、航空航天、大型建筑等领域具有重要价值，可以避免因热胀冷缩导致的结构变形或失稳。

结构电池：其独特的抗压特性（负压缩性）也让人联想到“结构电池”——即让材料本身既能承重又能储存能量，比如用作电动飞机的外壳，从而减轻重量、提升效率。

无限可能：加热收缩、挤压膨胀，你能想象这种无视物理规律的逆向行为会创造多少令人兴奋的实际应用吗？

这项发表在《自然》上的最新研究，不仅是材料科学基础理论的重要突破，更为解决现实世界中的技术难题和开发前所未有的新应用打开了想象空间。虽然从实验室走向实际应用还有很长的路要走，但这类“反常”材料的发现，无疑为未来的科技发展注入了新的活力和希望。

参考文献：

Qiu, B., Zhou, Y., Liang, H. et al. Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08765-x

来源：徐德文科学频道v