最近，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)楊圣松博士等和所在團(tuán)隊(duì)打造出一種全新材料，能在受熱時(shí)像氣球一樣膨脹，遇冷時(shí)又能收縮回來，整個(gè)過程完全可逆，而且它的熱脹冷縮能力比普通材料強(qiáng)上百倍。它還能像記憶合金一樣，在不同的溫度下變換內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

事實(shí)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，作為一款能像生命體一樣針對(duì)環(huán)境溫度做出劇烈、可逆響應(yīng)的智能材料，它有望帶來更加智能的傳感器、能夠自我調(diào)節(jié)的光學(xué)設(shè)備甚至新型的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）

具體來說：在傳感領(lǐng)域，它極高的熱膨脹靈敏度可以被用于制造極其精密的溫度傳感器或微動(dòng)開關(guān)；在光學(xué)領(lǐng)域，其晶格常數(shù)隨著溫度可以被大幅調(diào)整，故能被用于設(shè)計(jì)新型的可調(diào)諧光子晶體或?yàn)V光片，讓設(shè)備根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)顏色或透明性；在能源領(lǐng)域，其內(nèi)部可逆的吸放機(jī)制，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)新型的熱能存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換材料提供靈感。

模仿鋼鐵的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，打造超越傳統(tǒng)認(rèn)知的動(dòng)態(tài)材料

要理解這種新材料，先得認(rèn)識(shí)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(gè)納米的微小晶體顆粒，比頭發(fā)絲還要細(xì)幾萬倍?？茖W(xué)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(zhuǎn)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(zhì)狀態(tài)，既可以像液體一樣流動(dòng)，其分子就能像晶體一樣有序排列。事實(shí)上，我們的手表屏幕或者手機(jī)屏幕里可能都使用了液晶。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為特別的溶劑，當(dāng)處于低溫的時(shí)候它們會(huì)排列成為有序的向列相，當(dāng)處于高溫的時(shí)候它們則會(huì)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為有序的超晶格，就像使用一模一樣的積木搭建出一座規(guī)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于，團(tuán)隊(duì)讓液晶分子來充當(dāng)協(xié)調(diào)員和填充劑，為納米晶體穿上了特制的外套，這種外套與液晶分子的關(guān)系很好。當(dāng)混合物處于高溫也就是液晶處于無序狀態(tài)的時(shí)候，納米晶體們會(huì)均勻地分散在液晶海洋里。

一旦溫度降低，液晶分子開始排起整齊的隊(duì)伍。有趣的是，排好隊(duì)的液晶不太喜歡容納納米晶體這個(gè)異類，于是開始排擠它們。被聚集起來的納米晶體們，在配體的引導(dǎo)之下，開始自發(fā)地、規(guī)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(huì)呼吸的超晶格和超級(jí)熱脹冷縮

在建造超晶格的期間，并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(chǎng)里，也就是納米晶體之間的空隙里。這些被困在空隙里的液晶分子，就像“城市”里流動(dòng)的居民。

當(dāng)溫度再次升高的時(shí)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(nóng)村”里。于是，它們的向外移動(dòng)，推開了構(gòu)成“城市”建筑的納米晶體，導(dǎo)致整個(gè)超晶格的體積顯著膨脹。當(dāng)溫度降低的時(shí)候，外面的液晶“居民”又覺得“城市”里更舒服，于是紛紛擠進(jìn)空隙，同時(shí)納米晶格本身也更愿意靠攏，從而讓“城市”得到了整體收縮。

正是這種液晶分子在晶格內(nèi)外進(jìn)出的獨(dú)特機(jī)制，賦予了這種材料以驚人的熱脹冷縮能力。它的熱膨脹系數(shù)比普通塑料大幾十倍，甚至超過了理想氣體，實(shí)現(xiàn)了真正的超級(jí)膨脹與收縮。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3）

團(tuán)隊(duì)同樣發(fā)現(xiàn)通過更換不同材料的納米晶體以及設(shè)計(jì)不同的配體，或者使用不同種類的液晶，還可以精確調(diào)控這座納米“城市”的樣貌和性質(zhì)。

比如，甚至改變?cè)O(shè)計(jì)方案甚至可以讓納米“城市”的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆的轉(zhuǎn)變，這就像把一座由立方體房間組成的樓房即面心立方結(jié)構(gòu)，變成房間被拉長(zhǎng)了的另一種樓房即體心四方結(jié)構(gòu)。這類似于鋼鐵中奧氏體向馬氏體的著名相變，為材料賦予了響應(yīng)溫度而變化的記憶能力與變形能力。

楊圣松告訴 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?cè)诓剪斂撕Ｎ膰?guó)家實(shí)驗(yàn)室利用同步輻射 X 射線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)通常會(huì)一次性批準(zhǔn) 48 小時(shí)、72 小時(shí)甚至更長(zhǎng)的機(jī)時(shí)。所以我們幾個(gè)人，包括線站合作者，在那邊輪班通宵做實(shí)驗(yàn)。我們一直盯著屏幕，看每秒或每十秒采集一次的數(shù)據(jù)在這個(gè)過程中如何變化，這些工作常常持續(xù)到凌晨，雖然辛苦但確實(shí)很有意思?！?/p>

當(dāng)他和合作者發(fā)現(xiàn)神奇現(xiàn)象或能復(fù)現(xiàn)一些意料之外的現(xiàn)象時(shí)，即便來不及當(dāng)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，也知道這肯定很有趣，心里會(huì)一直記著，等有時(shí)間分析時(shí)再去挖掘。通過大家的努力，最終相關(guān)論文成功發(fā)表在 Nature Materials 上。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1038/s41563-025-02388-3

排版：劉雅坤