零壓縮是一種罕見的力學現(xiàn)象，它能夠在靜水壓力環(huán)境下展現(xiàn)出一個或多個軸向尺寸的穩(wěn)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(wěn)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(jié)構(gòu)模型非常復雜，通過壓力下晶格中結(jié)構(gòu)基元的耦合扭轉(zhuǎn)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(diào)控異常困難。中國科學院理化技術(shù)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(jié)構(gòu)能實現(xiàn)高力學強度的啟發(fā)，提出了通過構(gòu)建原子尺度的BDCC結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)零面壓縮性。研究人員先構(gòu)筑波紋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一維方向上的零壓縮性，再將這些帶狀波紋結(jié)構(gòu)進行雙向交叉(即正交編織)排列，通過兩個方向上力學性質(zhì)的單獨調(diào)控，最終實現(xiàn)零面壓縮性。該研究利用這種結(jié)構(gòu)調(diào)控設(shè)計策略，在晶體數(shù)據(jù)庫中進行了大規(guī)模結(jié)構(gòu)搜索，利用高壓同步輻射實驗發(fā)現(xiàn)了具有獨特BDCC結(jié)構(gòu)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(yōu)異的抗壓能力，在已發(fā)現(xiàn)的零面壓縮材料中壓力范圍最寬。高壓拉曼測試結(jié)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dx2-y2成鍵軌道向非鍵dz2軌道轉(zhuǎn)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(qū)動力。
 

　　該工作提出的利用BDCC結(jié)構(gòu)先一維方向單獨調(diào)控再多維復合的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略為反常力學響應材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料探索提供了全新且簡便的途徑。研究發(fā)現(xiàn)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(huán)境下精密信息傳輸、信號探測穩(wěn)定性和靈敏性提升提供基礎(chǔ)功能材料。
 

　　相關(guān)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(fā)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