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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁 > 科研進(jìn)展

理化所在零面壓縮材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料探索方面取得進(jìn)展

2024-02-19 理化技術(shù)研究所

【字體：大中小】

語音播報(bào)

零面壓縮材料的微觀結(jié)構(gòu)模型非常復(fù)雜，通過壓力下晶格中結(jié)構(gòu)基元的耦合扭轉(zhuǎn)直接投影到一個(gè)平面上，兩個(gè)方向的零壓縮性通常相互糾纏在一起，調(diào)控異常困難。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì)受復(fù)合材料中正交編織模型的雙向交叉波紋（BDCC）結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高力學(xué)強(qiáng)度的啟發(fā)，提出了通過構(gòu)建原子尺度的BDCC結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)零面壓縮性。研究人員先構(gòu)筑波紋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一維方向上的零壓縮性，再將這些帶狀波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向交叉（即正交編織）排列，通過兩個(gè)方向上力學(xué)性質(zhì)的單獨(dú)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)零面壓縮性。該研究利用這種結(jié)構(gòu)調(diào)控設(shè)計(jì)策略，在晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了大規(guī)模結(jié)構(gòu)搜索，利用高壓同步輻射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了具有獨(dú)特BDCC結(jié)構(gòu)的零面壓縮銅基化合物Cu₂GeO₄。Cu₂GeO₄的零面壓縮性低至1.58(26) TPa^-1，具有優(yōu)異的抗壓能力，在已發(fā)現(xiàn)的零面壓縮材料中壓力范圍最寬。高壓拉曼測(cè)試結(jié)合第一性原理計(jì)算，揭示Cu₂GeO₄的零面壓縮性來自于壓力下[CuO₂]_∞條帶中[CuO₄]基團(tuán)正常的收縮效應(yīng)與[CuO₄]-[CuO₄]二面角打開的反常膨脹效應(yīng)之間的巧妙平衡。在Cu²⁺離子中，壓力下電子從d_x₂_-y₂成鍵軌道向非鍵d_z₂軌道轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了相鄰[CuO₄]基團(tuán)之間的排斥力，是[CuO₄]-[CuO₄]二面角打開這一反常膨脹效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。

該工作提出的利用BDCC結(jié)構(gòu)先一維方向單獨(dú)調(diào)控再多維復(fù)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為反常力學(xué)響應(yīng)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料探索提供了全新且簡(jiǎn)便的途徑。研究發(fā)現(xiàn)的Cu₂GeO₄是一種罕見的零面壓縮材料，有望為深海、深地等極端、復(fù)雜環(huán)境下精密信息傳輸、信號(hào)探測(cè)穩(wěn)定性和靈敏性提升提供基礎(chǔ)功能材料。

相關(guān)研究成果以Realizing Persistent Zero Area Compressibility over a Wide Pressure Range in Cu₂GeO₄ by Microscopic Orthogonal-Braiding Strategy為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

零面壓縮材料Cu₂GeO₄中微觀正交編織策略示意圖

零壓縮是一種罕見的力學(xué)現(xiàn)象，它能夠在靜水壓力環(huán)境下展現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)軸向尺寸的穩(wěn)定性。與一維零壓縮材料相比，二維零壓縮（即零面壓縮）材料不僅擁有更高維度的機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)能夠在依賴于通量面積的信號(hào)傳輸中得到應(yīng)用。零面壓縮材料的微觀結(jié)構(gòu)模型非常復(fù)雜，通過壓力下晶格中結(jié)構(gòu)基元的耦合扭轉(zhuǎn)直接投影到一個(gè)平面上，兩個(gè)方向的零壓縮性通常相互糾纏在一起，調(diào)控異常困難。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì)受復(fù)合材料中正交編織模型的雙向交叉波紋（BDCC）結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高力學(xué)強(qiáng)度的啟發(fā)，提出了通過構(gòu)建原子尺度的BDCC結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)零面壓縮性。研究人員先構(gòu)筑波紋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一維方向上的零壓縮性，再將這些帶狀波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向交叉（即正交編織）排列，通過兩個(gè)方向上力學(xué)性質(zhì)的單獨(dú)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)零面壓縮性。該研究利用這種結(jié)構(gòu)調(diào)控設(shè)計(jì)策略，在晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了大規(guī)模結(jié)構(gòu)搜索，利用高壓同步輻射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了具有獨(dú)特BDCC結(jié)構(gòu)的零面壓縮銅基化合物Cu2GeO4。Cu2GeO4的零面壓縮性低至1.58(26) TPa-1，具有優(yōu)異的抗壓能力，在已發(fā)現(xiàn)的零面壓縮材料中壓力范圍最寬。高壓拉曼測(cè)試結(jié)合第一性原理計(jì)算，揭示Cu2GeO4的零面壓縮性來自于壓力下[CuO2]∞條帶中[CuO4]基團(tuán)正常的收縮效應(yīng)與[CuO4]-[CuO4]二面角打開的反常膨脹效應(yīng)之間的巧妙平衡。在Cu2+離子中，壓力下電子從dx2-y2成鍵軌道向非鍵dz2軌道轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了相鄰[CuO4]基團(tuán)之間的排斥力，是[CuO4]-[CuO4]二面角打開這一反常膨脹效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。該工作提出的利用BDCC結(jié)構(gòu)先一維方向單獨(dú)調(diào)控再多維復(fù)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為反常力學(xué)響應(yīng)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料探索提供了全新且簡(jiǎn)便的途徑。研究發(fā)現(xiàn)的Cu2GeO4是一種罕見的零面壓縮材料，有望為深海、深地等極端、復(fù)雜環(huán)境下精密信息傳輸、信號(hào)探測(cè)穩(wěn)定性和靈敏性提升提供基礎(chǔ)功能材料。相關(guān)研究成果以Realizing Persistent Zero Area Compressibility over a Wide Pressure Range in Cu2GeO4 by Microscopic Orthogonal-Braiding Strategy為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。論文鏈接零面壓縮材料Cu2GeO4中微觀正交編織策略示意圖

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