当加热普通材料时，它会膨胀。但一类被称为二维（2D）材料的超薄材料却打破了这一常识，在温度升高时反而会收缩——这一特性被称为负热膨胀（NTE）。一篇最新的综合性综述总结了在理解和控制这种异常行为方面的最新突破，为设计超稳定的下一代技术铺平了道路。
文献标题：Negative thermal expansion of two-dimensional materials: A review
文献链接：10.26599/NR.2025.94908155
该综述发表于经同行评审的期刊，汇总了关于各类二维材料负热膨胀的研究成果，涵盖了众所周知的石墨烯和六方氮化硼（h-BN），以及新兴的磁性薄片和合成框架材料。作者剖析了该现象背后的物理机制，并概述了调节该现象的实用策略，强调了其在解决困扰现代纳米电子学和精密仪器热失配问题方面的潜力。
“热膨胀是许多技术领域面临的主要问题，会导致从计算机芯片到空间望远镜等设备产生应力、错位甚至失效，”郑州大学该综述论文的通讯作者高启龙表示。“我们的研究总结了具有负热膨胀特性的二维材料如何成为最终解决方案。我们可以将其用作‘热补偿’层，以抵消其他组件的热膨胀，从而制成一种在宽温度范围内尺寸稳定的复合材料。”
这些原子级薄材料中的收缩效应源于独特的原子振动。当平面内的化学键抵抗拉伸时，低能的平面外振动（即“涟漪”）会导致材料在受热时发生横向收缩。在磁性二维材料中，自旋序与晶格之间的耦合也会在接近磁相变温度时引发剧烈的收缩。
该综述详细介绍了多种控制负热膨胀效应的方法。施加应变、化学掺杂或将材料置于特定衬底上，均可将热膨胀系数从强负值调节为正值。此外，通过堆叠具有相反热行为的二维层——例如，将具有负热膨胀效应的石墨烯与具有正热膨胀的材料结合——工程师可以制造出热膨胀系数接近零的范德华异质结构。
“试想一下，一种不会翘曲的纳米电子电路，或者一台在温度变化下镜面不会变形的空间望远镜，”高说，“通过整合这些二维NTE材料，这种级别的稳定性已触手可及。我们正从基础发现阶段迈向积极设计与应用的阶段。”
潜在的应用远不止于稳定性控制。该综述指出，在柔性电子器件领域，NTE材料可增强材料在热循环条件下的耐久性；而在热电器件领域，其低热导率和可调热膨胀率则能提升能量转换效率。
尽管取得了进展，但挑战依然存在，包括难以在排除基底影响的情况下测量NTE材料的固有性能，以及难以实现高质量、无缺陷的二维晶体的大规模合成。作者呼吁开展跨学科合作，以弥合实验室研究成果与工业应用之间的鸿沟。
“该领域正在迅速发展，”高总结道。“借助机器学习等先进计算模型帮助我们发现新的二维NTE材料，并结合更完善的制备技术，我们正站在先进技术热管理新时代的门槛上。”
其他作者包括来自中国南阳南阳师范学院物理与电子工程学院的赵春祥和王佳琪，以及来自中国郑州郑州大学物理与微电子学院的孙强。
关于《Nano Research》
《Nano Research》是一份经同行评审、开放获取的国际性跨学科研究期刊，由清华大学和中国化学会联合主办，清华大学出版社在SciOpen平台上出版。本刊发表关于纳米科学与纳米技术各个方面的原创高质量研究论文和重要综述文章，涵盖从纳米尺度材料科学的基础研究到此类材料的实际应用。经过18年的发展，该刊已成为纳米领域最具影响力的学术期刊之一。自2022年起，《纳米研究》每年发表论文超过1,000篇，累计发表论文已超过7,000篇。在2024年InCites期刊引文报告中，其2024年影响因子为9.0（5年平均为8.7），并在四个学科分类中持续位列Q1区。由《纳米研究》与TUP及施普林格·自然（Springer Nature）于2013年共同设立的“纳米研究奖”，以及该期刊于2018年设立的“纳米研究青年创新者（NR45）奖”，均已成为具有全球影响力的国际学术奖项。
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