Intrinsically ultralow thermal conductivity in all-inorganic superatomic bulk crystals

该研究成功生长了高质量的全无机超原子单晶 Re6Se8Te7 和 Re6Te15,发现其室温热导率极低(分别为 0.32 和 0.53 W m⁻¹ K⁻¹),这主要归因于刚性簇与软 Te 网络间的弱键合导致的大非谐性振动、低声速及无序声子输运,确立了超原子化合物作为超低热导率及能源管理材料的巨大潜力。

原作者: Mingzhang Yang, Yuxi Wang, Jun Deng, Tianping Ying, Qinghua Zhang, Nianjie Liang, Xiaobing Liu, Bai Song, Jian-gang Guo, Xiaolong Chen

发布于 2026-03-31
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这篇论文讲述了一个关于**“如何让热量‘迷路’"**的有趣故事。科学家发现了一种特殊的晶体材料,它的导热性能极差(也就是保温性能极好),甚至可以说是所有无机材料中的“保温冠军”。

为了让你更容易理解,我们可以把热量想象成一群在房间里奔跑的“热精灵”,而材料就是这些精灵奔跑的场地

1. 核心发现:超级“迷宫”材料

通常,热量(热精灵)在固体里跑得很快,就像在空旷的操场上奔跑。但科学家在实验室里种出了两种特殊的晶体:Re6Se8Te7Re6Te15

这两种材料有一个惊人的特点:在室温下,热量在里面跑得非常慢,速度只有普通材料的一小部分。它们的导热系数低得惊人(0.32 和 0.53 W/m·K),是目前已知所有无机块状晶体中最低的之一。这意味着,如果你用这种材料做保温杯,里面的热水能保持很久不凉。

2. 为什么热量跑不动?(结构比喻)

这就好比我们要设计一个让热精灵跑不动的迷宫。科学家发现,这种材料的内部结构非常巧妙,由两部分组成:

  • 坚硬的“超级原子团”(刚性核心):
    想象一下,材料里有很多像小立方体一样的坚硬积木块(由铼 Re 和硒/碲 Se/Te 组成)。这些积木块内部结合得非常紧密,像坚固的堡垒。
  • 柔软的“弹簧网”(柔性连接):
    这些坚硬的积木块并不是直接粘在一起的,而是通过一种像软弹簧铰链一样的“网”(由碲 Te 原子组成的 Te7 网)连接起来的。

这个结构就像什么?
想象一个巨大的游乐场,里面有很多坚硬的旋转木马(刚性积木块),但它们之间不是铺着坚硬的水泥路,而是用松软的弹簧床(Te7 网)连接着。

当“热精灵”(热量)试图从一个旋转木马跑到另一个时,它们必须穿过这些松软的弹簧床。

  1. 弹簧太软了: 热量很难通过软弹簧传递,就像你很难在弹簧床上快速奔跑一样。
  2. 乱跳(非谐振动): 这些软弹簧连接处非常不稳定,当热量试图通过时,弹簧会剧烈地乱晃(科学上叫“强非谐振动”)。这种乱晃把热量的能量“打散”了,让热精灵们晕头转向,找不到方向。
  3. 声音变慢: 在这种材料里,声音(也是由振动传递的)跑得特别慢,就像在泥潭里走路一样。

3. 更有趣的发现:像玻璃一样的行为

通常,晶体(像冰块)导热好,玻璃(像窗户)导热差。但科学家发现,当温度升高到一定程度(超过 350 度)时,这两种晶体表现得完全像玻璃一样

  • 比喻: 平时它们是有秩序的晶体,但在高温下,那些软弹簧连接处变得极度活跃,导致热量不再像波浪一样有规律地传播,而是像在拥挤的人群中推搡一样,变成了无序的“扩散”。
  • 这种状态被称为“玻色峰”(Boson peak),就像是在整齐的队伍里突然混进了一群乱跑的小孩,彻底打乱了热量的传递节奏。

4. 为什么这很重要?

这项研究不仅发现了这种“超级保温材料”,更重要的是它揭示了一个制造低导热材料的新秘诀:
“刚柔并济”

以前大家觉得要降低导热,要么用很重的原子,要么用很乱的结构。但这篇论文告诉我们:把坚硬的“大块头”用柔软的“弹簧”连接起来,是制造超低导热材料的绝佳方法。

应用场景:

  • 超级保温: 用于制造高效的隔热材料,保护精密仪器不受高温影响。
  • 热电转换: 这种材料如果能把“废热”(比如汽车尾气、工厂余热)转化为电能,效率会非常高,因为它能很好地“锁住”热量,不让它散失,从而推动能量转换。

总结

简单来说,科学家通过一种特殊的化学配方,把坚硬的原子团块用柔软的“弹簧网”连在一起,制造出了一个让热量“寸步难行”的迷宫。这种材料不仅打破了无机晶体导热的最低纪录,还为未来设计更高效的节能和能源管理材料提供了一把全新的“钥匙”。

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