最近，美國賓夕法尼亞大學楊聖松博士等和所在團隊打造出一種全新材料，能在受熱時像氣球一樣膨脹，遇冷時又能收縮回來，整個過程完全可逆，而且它的熱脹冷縮能力比普通材料強上百倍。它還能像記憶合金一樣，在不同的溫度下變換內部結構。
圖 | 從左到右：楊聖松、楊岱蓓、寧一凡（來源：資料圖）
事實上，這是一種由納米晶體和液晶合作組成的超膨脹熱可逆間隙固溶體，作爲一款能像生命體一樣針對環境溫度做出劇烈、可逆響應的智能材料，它有望帶來更加智能的傳感器、能夠自我調節的光學設備甚至新型的能量存儲系統。
（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）
具體來說：在傳感領域，它極高的熱膨脹靈敏度可以被用於製造極其精密的溫度傳感器或微動開關；在光學領域，其晶格常數隨着溫度可以被大幅調整，故能被用於設計新型的可調諧光子晶體或濾光片，讓設備根據溫度自動調節顏色或透明性；在能源領域，其內部可逆的吸放機制，能夠爲設計新型的熱能存儲或轉換材料提供靈感。
模仿鋼鐵的經典結構，打造超越傳統認知的動態材料
要理解這種新材料，先得認識納米晶體和液晶這兩位材料界的迷你建造師。
納米晶體是尺寸只有幾個納米的微小晶體顆粒，比頭髮絲還要細幾萬倍。科學家可以在它們的表面安裝上特殊的小分子也就是配體，這就像給積木塊轉上帶有特定形狀的卡扣，能夠控制它們彼此連接的方式。
液晶是一種奇特的物質狀態，既可以像液體一樣流動，其分子就能像晶體一樣有序排列。事實上，我們的手錶屏幕或者手機屏幕裏可能都使用了液晶。而在本次研究之中，三位研究者使用了一種常見的液晶分子作爲特別的溶劑，當處於低溫的時候它們會排列成爲有序的向列相，當處於高溫的時候它們則會變成雜亂無章的各向同性相。
通常，納米晶體可以自己組裝成爲有序的超晶格，就像使用一模一樣的積木搭建出一座規整的城市。但是，之前的方法就像使用膠水粘合，一旦成型就很難改變。
（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）
本次研究的巧妙之處在於，團隊讓液晶分子來充當協調員和填充劑，爲納米晶體穿上了特製的外套，這種外套與液晶分子的關係很好。當混合物處於高溫也就是液晶處於無序狀態的時候，納米晶體們會均勻地分散在液晶海洋裏。
一旦溫度降低，液晶分子開始排起整齊的隊伍。有趣的是，排好隊的液晶不太喜歡容納納米晶體這個異類，於是開始排擠它們。被聚集起來的納米晶體們，在配體的引導之下，開始自發地、規整地堆疊起來，形成一座座的納米晶體“城市”也就是超晶格。
（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）
會呼吸的超晶格和超級熱脹冷縮
在建造超晶格的期間，並非所有液晶分子都被趕走了。而是一旦液晶分子被留在“城市”的街道和廣場裏，也就是納米晶體之間的空隙裏。這些被困在空隙裏的液晶分子，就像“城市”裏流動的居民。
當溫度再次升高的時候，這些“居民”變得活躍起來，想從狹窄的街道跑到外面的廣闊“農村”裏。於是，它們的向外移動，推開了構成“城市”建築的納米晶體，導致整個超晶格的體積顯著膨脹。當溫度降低的時候，外面的液晶“居民”又覺得“城市”裏更舒服，於是紛紛擠進空隙，同時納米晶格本身也更願意靠攏，從而讓“城市”得到了整體收縮。
正是這種液晶分子在晶格內外進出的獨特機制，賦予了這種材料以驚人的熱脹冷縮能力。它的熱膨脹係數比普通塑料大幾十倍，甚至超過了理想氣體，實現了真正的超級膨脹與收縮。
（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）
團隊同樣發現通過更換不同材料的納米晶體以及設計不同的配體，或者使用不同種類的液晶，還可以精確調控這座納米“城市”的樣貌和性質。
比如，甚至改變設計方案甚至可以讓納米“城市”的整體結構發生可逆的轉變，這就像把一座由立方體房間組成的樓房即面心立方結構，變成房間被拉長了的另一種樓房即體心四方結構。這類似於鋼鐵中奧氏體向馬氏體的著名相變，爲材料賦予了響應溫度而變化的記憶能力與變形能力。
楊聖松告訴 DeepTech：“研究過程中，有幾件令我比較難忘或印象深刻的事情。首先是需要做大量的原位研究，我們在布魯克海文國家實驗室利用同步輻射 X 射線進行實驗。這類實驗通常會一次性批准 48 小時、72 小時甚至更長的機時。所以我們幾個人，包括線站合作者，在那邊輪班通宵做實驗。我們一直盯着屏幕，看每秒或每十秒採集一次的數據在這個過程中如何變化，這些工作常常持續到凌晨，雖然辛苦但確實很有意思。”
當他和合作者發現神奇現象或能復現一些意料之外的現象時，即便來不及當場分析數據，也知道這肯定很有趣，心裏會一直記着，等有時間分析時再去挖掘。通過大家的努力，最終相關論文成功發表在 Nature Materials 上。
參考資料：
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https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3
排版：劉雅坤
