各向同性的超低热膨胀材料能够有效抑制热致应力与热致畸变，是高精密仪器制造的核心基础材料之一。然而，现有此类材料的工作温度窗口普遍较窄（通常低于400 K），难以在高温环境下保持超低热膨胀特性。这一限制源于其晶格热动力学本质：随着温度升高，晶格振动的非谐效应呈非线性增强，诱发显著的正热膨胀行为，从而制约了材料在宽温区下的超低热膨胀性能。

在前期研究中，中国科学院理化技术研究所新型功能晶体研究组提出了“笼状受限”模型，通过抑制温度扰动下笼状结构的原子振动，在封闭式骨架方钠石结构中实现了高热稳定性的超低热膨胀（Adv. Mater. 2016, 28, 7936-7940）。在此基础上，该团队进一步结合共价增强与刚性调控策略，制备出热膨胀性能更优的各向同性超低热膨胀材料（ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 38435–38440; Chem. Mater. 2022, 34, 9915–9922）。虽然上述材料的超低热膨胀温区仍未突破400 K，但其研究结果为后续探索更宽温区下的超低热膨胀材料奠定了坚实基础。

近日，该研究团队与国内外相关课题组合作，在方钠石结构中引入分数占位单元，赋予结构基元以柔性特征，提出了一种解决高温区由非谐效应引发的晶格本征热膨胀问题的新思路。通过理论设计与实验合成，他们成功制备出一种新型方钠石结构晶体Cd₄Al₆O₁₂(SO₄)（简称CASO）。该材料在11 K至893 K的超宽温区内表现出稳定的超低热膨胀性能，是迄今报道的工作温度范围最宽的各向同性超低热膨胀材料。结合原位同步辐射、原位光谱学测量以及分子动力学和密度泛函理论计算，研究进一步揭示：分数占位的填隙基团在高温条件下产生显著的扭转振动，该振动能够动态增强对骨架负热膨胀效应起关键作用的横向振动模式，且这种增强效应随温度升高而持续加强。这一机制使骨架在高温区获得足够的负热膨胀，从而有效抵消由化学键非谐效应引起的正热膨胀，最终实现CASO在宽温区内的超低热膨胀行为。

研究团队采用自发结晶法成功生长出高质量单晶。原位光谱测量结果表明，该晶体材料在紫外至近红外的宽光谱范围内均保持良好的光学透过性能，且其紫外截止边随温度的变化率较现有光学材料至少降低一半。这意味着由CASO制备的光学元件即使在剧烈温度变化的环境下，仍能保持稳定的光学性能。该工作不仅为极端热环境提供了一种先进的光学晶体材料，还建立了一种通过结构工程理性设计宽温区超低热膨胀材料的通用策略。

基于“分数占位、柔性调控”策略，获得宽温区各向同性超低热膨胀晶体材料CASO

相关研究成果以Isotropic Zero Thermal Expansion in Sodalite Crystals from 11 to 893 K为题发表在Nature Chemistry期刊上。论文的第一单位是中国科学院理化技术研究所，第一作者为柳友权博士，通讯作者为林哲帅、姜兴兴和哈尔滨工业大学盛捷。本研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金委和中国科学院相关项目的资助支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-026-02174-x