物體加熱會膨脹，擠壓會收縮，這是最基本的物理規律。然而中美科學家團隊4月16日在頂尖科學期刊《自然》發表重磅研究，發現了一種“不按常理出牌”的新材料，加熱時反而會收縮，擠壓時反而會膨脹，這項基礎科學的重大突破，不僅徹底顛覆了我們的日常認知，還為未來科技進步開啟了無限可能。

這項研究的通訊作者是芝加哥大學普利茲克分子工程學院副教授張明浩（Minghao Zhang）、教授孟穎（Ying Shirley Meng）、中科院寧波材料技術與工程研究所劉兆平（Zhaoping Liu），第一作者是加州大學圣地亞哥分校訪問學者，來自寧波材料技術與工程研究所的邱寶（Bao Qiu）。

奇特的“逆反”行為

科學來說，這種特殊材料最引人注目的特性就是：

負熱膨脹（Negative Thermal Expansion, NTE）： 當你加熱這種材料時，它非但不會像普通物體那樣膨脹，反而會收縮！研究人員精確測量了這一現象，發現它的收縮效應還相當顯著。

負壓縮性（Negative Compressibility）： 如果你從四面八方用力擠壓這種材料，按理說它應該被壓縮得更小。但這種材料卻表現出“倔強”的一面——它反而會膨脹！

這些行為聽起來是不是很不可思議？它們確實與我們基于宏觀經驗和基礎物理學（如熱脹冷縮原理）的預期背道而馳。

“反常”背后的科學解釋

那么，這種材料為何如此“叛逆”呢？科學家們發現，這與其內部的微觀結構和一種叫做“氧還原（Oxygen-Redox, OR）”的化學過程密切相關。

簡單來說，這種材料處于一種特殊的“亞穩態”（metastable state）。你可以把它想象成一個雖然不是最穩定、但也能暫時維持的狀態。在這種狀態下，材料內部的原子排列比較混亂。

解釋負熱膨脹： 當加熱時，熱能并沒有主要讓原子振動得更厲害導致膨脹，反而促使材料內部混亂結構變得更加有序和緊湊。這種結構上的“整理”效應超過了原子熱運動的膨脹效應，導致宏觀上看起來是收縮了。

解釋負壓縮性： 類似地，外部施加的巨大壓力似乎“觸發”了材料內部結構的某種調整，使其向體積增大的方向變化。

關鍵在于，這種材料的行為是由其特殊的化學狀態（氧還原活性）和結構狀態（亞穩態及無序-有序轉變）共同決定的，而非僅僅是簡單的原子熱運動或彈性變形。

研究發現，這種材料的熱膨脹系數竟高達-14.4(2) × 10^-6 °C^-1，負號表示是負熱膨脹，這個數值是個什么概念呢？意味著它負膨脹效應的強度與常見金屬的正膨脹效應相當，甚至比鋼還強！

最令人興奮的應用前景：電池“返老還童”？

除了這些奇特的物理性質，這項研究還有一個極其重要的發現：可以通過施加電壓來調控這種材料的結構狀態！

這意味著什么？我們知道，很多電池（尤其是追求高能量密度的電池）在反復充放電后，內部材料結構會發生變化甚至劣化，導致性能下降，比如容量減少、電壓降低，這就是我們常說的“電池老化”。

而這項新發現提供了一種可能性：未來或許可以通過特定的電化學方法（比如調整充電電壓或施加特定電壓脈沖），讓已經“老化”的電池材料內部結構恢復到接近初始的、更有序的狀態。研究表明，這種結構恢復的潛力可能非常高，這為解決長期困擾電池領域的電壓衰減和壽命問題，提供了一個全新的、極具吸引力的思路。

更廣闊的應用可能

當然，這種材料的潛力遠不止于此，它還可以用于制造：

零熱膨脹材料：通過精確調控，有望制造出在溫度變化時尺寸幾乎不變的材料。這在精密儀器、航空航天、大型建筑等領域具有重要價值，可以避免因熱脹冷縮導致的結構變形或失穩。

結構電池：其獨特的抗壓特性（負壓縮性）也讓人聯想到“結構電池”——即讓材料本身既能承重又能儲存能量，比如用作電動飛機的外殼，從而減輕重量、提升效率。

無限可能：加熱收縮、擠壓膨脹，你能想象這種無視物理規律的逆向行為會創造多少令人興奮的實際應用嗎？

這項發表在《自然》上的最新研究，不僅是材料科學基礎理論的重要突破，更為解決現實世界中的技術難題和開發前所未有的新應用打開了想象空間。雖然從實驗室走向實際應用還有很長的路要走，但這類“反常”材料的發現，無疑為未來的科技發展注入了新的活力和希望。

參考文獻：

Qiu, B., Zhou, Y., Liang, H. et al. Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08765-x