美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家擁有新的實驗證據和預測理論，解決了長期以來材料科學的奧秘：為什麼某些晶體材料受熱後會收縮。他們的工作剛剛發表在《科學進展》上，可以廣泛應用於使材料特性與醫學，電子學和其他領域的特定應用相匹配，甚至可以為非常規超導體（承載電流而無能量損失的材料）提供新的見解。
證據來自精確測量氟化scan（ScF 3）晶體中原子之間的距離，氟化fluoride 是一種在高溫下會發生異常收縮的材料（也稱為「 負熱膨脹 」）。科學家發現的是一種新型的振動運動，這種振動會導致這些立方體形的看似實心的晶體的側面在受熱時發生彎曲，從而將角點拉近。
負責該項目的布魯克海文物理學家伊戈爾·扎利茲尼亞克（Igor Zaliznyak）說：「通常情況下，隨著溫度的升高，它會膨脹。」 「當您加熱物體時，原子振動的強度會增加，並且材料的整體尺寸也會增加，以適應更大的振動。」
但是，這種關係不適用於某些柔性材料，包括塑料和橡膠等鏈狀聚合物。在這些材料中，熱量的增加只會增加垂直於鏈條長度的振動（請看拔出的吉他弦的側向振動）。這些橫向振動將鏈條的末端拉近，從而導致整體收縮。
但是氟化scan呢？具有固態的立方晶體結構，至少乍一看，它看上去不像聚合物。此外，一個普遍的假設是，固體晶體中的原子必須保持它們的相對取向，而不管晶體的大小如何，物理學家困惑地解釋了這種材料在加熱時如何收縮。
中子和專職學生進行救援
加州理工學院（Caltech）的一個研究小組正在使用一種方法在Spallation中子源（SNS）上探索這個奧秘，SNS是美國橡樹嶺國家實驗室（DOE）科學辦公室的用戶設施。測量中子束（一種亞原子粒子）如何散射晶體中的原子，可以提供有關其原子尺度排列的有價值的信息。Zaliznyak說，這對於X射線不可見的輕質材料（例如氟）特別有用。
Zaliznyak聽說了這項工作，並指出他的同事Emil Bozin（使用另一種中子散射分析技術的專家）可能會增進對該問題的理解。Bozin的方法被稱為「對分布函數」，描述了找到在材料中以一定距離分隔的兩個原子的可能性。然後，計算算法對概率進行分類，以找到最適合數據的結構模型。
Zaliznyak和Bozin與Caltech團隊合作，使用Caltech的ScF 3樣本在SNS收集數據，以追蹤相鄰原子之間的距離如何隨溫度升高而變化。
大衛·溫特（David Wendt）是一名學生，他在高中二年級（現在是史丹福大學的大一新生）之後在扎利茲尼亞克的實驗室開始了布魯克海文實驗室高中研究計劃的實習，他處理了許多數據分析。在整個高中時期，他繼續從事該項目的工作，贏得了論文的第一作者的位置。
「 David基本上將數據簡化為我們可以使用算法進行分析的形式，對數據進行擬合，組成了一個模型來對氟原子的位置進行建模，並進行了統計分析以將我們的實驗結果與模型進行比較。他所做的工作就像優秀的博士後會做的一樣！」 Zaliznyak說。
溫特說：「布魯克海文實驗室為我提供了通過他們的高中研究計劃為原始研究做出貢獻的機會，我感到非常感謝。」
結果：堅實的「柔和」運動
測量結果表明，heating與氟之間的鍵並沒有隨加熱而真正改變。扎利茲尼亞克說：「實際上，它們會稍微膨脹。這與大多數固體膨脹的原因是一致的。」
但是相鄰的氟原子之間的距離隨著溫度的升高而變化很大。
「我們一直在尋找證據，表明氟原子始終如一地處於固定的構型，而事實恰恰相反！」 Zaliznyak說。
Brookhaven實驗室功能納米材料中心（另一個Office of Science用戶設施）的軟凝聚物理論專家Alexei Tkachenko為解釋這一意外數據做出了重要貢獻。
由於氟原子似乎不局限於剛性位置，因此該解釋可以借鑑阿爾伯特·愛因斯坦最初提出的更古老的理論，通過分別考慮每個原子來解釋原子運動。令人驚訝的是，最終解釋表明，ScF 3中的熱誘導收縮與軟物質聚合物的行為極為相似。
Zaliznyak解釋說：「由於每個scan原子均具有與氟的剛性鍵，形成晶體立方體側面（with在角處）的氟化scan'鏈'的作用類似於聚合物的剛性部分。」 但是，立方體兩邊中心的氟原子不受任何其他鍵的約束。因此，隨著溫度的升高，「約束不足」的氟原子可以自由地在垂直於剛性Sc-F鍵的方向上獨立振蕩。這些橫向熱振蕩將立方晶格角處的Sc原子拉得更近，從而導致收縮率與聚合物中觀察到的相似。
應用熱匹配
這種新的認識將提高科學家預測或策略性設計用於預期溫度變化的材料的熱響應的能力。例如，理想情況下，精密加工中使用的材料應響應加熱和冷卻而幾乎沒有變化，以在所有條件下保持相同的精度。醫療應用中使用的材料（例如牙科填充物或骨骼替代物）的熱膨脹特性應與嵌入其中的生物結構的熱膨脹特性緊密匹配（想想當喝熱時牙齒收縮時填充物膨脹會帶來多大的痛苦）咖啡！）。在半導體或海底光纖傳輸線中，
Zaliznyak指出，氧化銅和鐵基超導體中也存在一種類似於ScF 3的約束不足的開放框架結構，其中晶格振動被認為在這些材料的無電阻承載電流的能力中起作用。
Zaliznyak說：「在這些開放框架結構中，原子的獨立振動可能以我們現在可以計算和理解的方式對這些材料的特性做出貢獻。」 他補充說：「他們可能實際上解釋了我們自己的一些實驗觀察結果，這些觀察結果仍然是這些超導體中的一個謎。」
Zaliznyak說：「這項工作從美國能源部國家實驗室的重要優勢中獲得了極大的好處，這些優勢包括獨特的美國能源部設施以及我們開展長期項目的能力，隨著時間的推移，重要的貢獻不斷積累，最終形成一個發現。」 「這代表了合著者中不同專業知識的獨特融合，包括一個專門的高中學生實習生，我們能夠為該項目進行協同整合。如果沒有該專業提供的專業知識，就不可能成功地進行這項研究。所有團隊成員。」