具有“鲁班凳”结构的非致密性硼酸盐线性零压缩（ZLC）材料

　　深海、深地等极端环境是国家战略资源的重要基地，构建空、天、地、水下立体网络，实现多维度、多源头、海量信息的采集、处理和传输，不仅是学科发展的前沿，更是国家海洋、深地发展的重大需求。水下/地下信息处理以及通讯比日常生活中困难得多，如何在高压/压力涨落中保持精密仪器光学性能的稳定性和精确性是深海、深地环境进行信息处理和光学通讯亟待解决的关键性难题。因此，探索具有反常力学性能的光学材料成为了现代光电信息功能材料领域的重要前沿方向。线性零压缩材料是指在静水压力下沿着某个方向的尺寸保持不变的材料。在外界环境压力变化时，线性零压缩材料由于这种独特的压力响应特性，其与某个维度尺寸相关的物理化学性质呈现出高度的稳定性，是解决某些在高压力涨落复杂环境中应用的高精度仪器性能稳定性的唯一途径。到目前为止，对线性零压缩材料的探索主要集中在具有密实结构的材料中，使得这一力学性质在若干超硬材料中被发现。然而非密实结构材料的线性零压缩材料尚未被系统地研究过。非密实结构材料由于其晶格中较大的孔洞，具有较高的结构容忍性，其结构具有更高的可调谐性，在某些特殊的领域例如客体分子存储及功能调控等方面具有天然的优势。 

　　中国科学院理化技术研究所林哲帅研究员课题组系统地研究了非致密结构线性零压缩性质发生的条件，提出了线性零压缩性质的“鲁班凳”模型。在“鲁班凳”模型的指导下，发现硼酸盐材料AEB₂O₄(AE=Ca或Sr)满足这一结构特征。课题组相关研究人员借助于在北京同步辐射装置4W2-高压实验站采集的高压X射线衍射数据表明两个材料在0~8GPa未发生相变，其中CaB₂O₄和SrB₂O₄沿a轴方向的压缩率分别为0.3/TPa与0.0/TPa, 均低于自然界最硬的材料金刚石（0.75/TPa），证实了AEB₂O₄具有线性零压缩性质。 

　　图1 AEB₂O₄的线性零压缩性质及相关机制 

　　为了进一步研究AEB₂O₄罕见的线性零压缩性质的微观机制，研究人员对其压力下的晶体结构进行了第一性原理的模拟。发现由于硼氧基团之间强的共价相互作用BO₃基团的构型随着压力的变化基本保持不变，而相邻BO₃基团之间的二面角随着压力的增大发生了严重的变小，产生了压致膨胀的效应。然而AE-O键随着压力的增大发生了收缩，导致了压致收缩的效应。压致膨胀和压制收缩效应相互抵消，导致了线性零压缩效应。同时发现CaB₂O₄和SrB₂O₄零压缩性质的微小差别来自于Ca-O键和Sr-O键键序的微弱不同。另外光学透过测试表明，两个材料的紫外截止边均在170nm左右，是所有已知线性零压缩材料中最短的。基于AEB₂O₄的线性零压缩性质和优异的紫外光学性质，研究人员对其在高压力涨落环境中应用的光学传感器件进行了设计。 

　　该研究工作中，在北京同步辐射实验装置4W2-高压实验站采集的高压衍射数据提供了最重要的实验数据支撑，相关工作发表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2018, 32, 1801313），并被Advanced Science News以Video Abstract的形式作为亮点工作报道。 

　　发表文章： 

　　Xingxing Jiang, Yi Yang, Maxim S. Molokeev, Pifu Gong, Fei Liang, Shuaihua Wang, Lei Liu, Xiang Wu, Xiaodong Li, Yanchun Li, Shaofan Wu, Wei Li, Yicheng Wu, and Zheshuai Lin* , Zero Linear Compressibility in Nondense Borates with a “Lu-Ban Stool”-Like Structure. Adv. Mater. 2018, 30, 1801313.