理化所在零面壓縮材料的結構設計和新材料探索方面取得進展

零壓縮是一種罕見的力學現象，它能夠在靜水壓力環境下展現出一個或多個軸向尺寸的穩定性。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械穩定性，同時能夠在依賴于通量面積的信號傳輸中得到應用。

零面壓縮材料的微觀結構模型非常復雜，通過壓力下晶格中結構基元的耦合扭轉直接投影到一個平面上，兩個方向的零壓縮性通常相互糾纏在一起，調控異常困難。中國科學院理化技術研究所研究團隊受復合材料中正交編織模型的雙向交叉波紋（BDCC）結構能實現高力學強度的啟發，提出了通過構建原子尺度的BDCC結構來實現零面壓縮性。研究人員先構筑波紋結構實現一維方向上的零壓縮性，再將這些帶狀波紋結構進行雙向交叉（即正交編織）排列，通過兩個方向上力學性質的單獨調控，最終實現零面壓縮性。該研究利用這種結構調控設計策略，在晶體數據庫中進行了大規模結構搜索，利用高壓同步輻射實驗發現了具有獨特BDCC結構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，具有優異的抗壓能力，在已發現的零面壓縮材料中壓力范圍最寬。高壓拉曼測試結合第一性原理計算，揭示Cu₂GeO₄的零面壓縮性來自于壓力下[CuO₂]_∞條帶中[CuO₄]基團正常的收縮效應與[CuO₄]-[CuO₄]二面角打開的反常膨脹效應之間的巧妙平衡。在Cu²⁺離子中，壓力下電子從d_x2-y2成鍵軌道向非鍵d_z2軌道轉移，增強了相鄰[CuO₄]基團之間的排斥力，是[CuO₄]-[CuO₄]二面角打開這一反常膨脹效應的驅動力。

該工作提出的利用BDCC結構先一維方向單獨調控再多維復合的結構設計策略為反常力學響應材料的結構設計和新材料探索提供了全新且簡便的途徑。研究發現的Cu₂GeO₄是一種罕見的零面壓縮材料，有望為深海、深地等極端、復雜環境下精密信息傳輸、信號探測穩定性和靈敏性提升提供基礎功能材料。

相關研究成果以Realizing Persistent Zero Area Compressibility over a Wide Pressure Range in Cu₂GeO₄ by Microscopic Orthogonal-Braiding Strategy為題發表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金的支持。

零面壓縮材料Cu₂GeO₄中微觀正交編織策略示意圖