大家都知道热胀冷缩吧，生活里很多东西都有这个现象，就像夏天的电线杆，电线会因为热胀变得松弛，冬天又会因为冷缩绷紧。大部分金属也是这样，温度一升高就会膨胀。著名的埃菲尔铁塔，夏天的时候因为热胀，比冬天要高个 10 到 15 厘米呢。但在很多科技领域，热胀冷缩可不是个好现象，会给精密仪器、航空航天设备带来不少麻烦。所以，科学家们一直都在寻找不受温度影响、尺寸稳定的材料。

以前，有一种叫因瓦合金（Invar）的铁镍合金备受关注，它的热膨胀系数特别低，能在一定程度上抵抗热胀冷缩。可很长时间以来，大家都不太清楚它为什么有这样的特性。

最近，维也纳工业大学的理论研究人员和北京科技大学的实验人员携手合作，取得了重大突破！他们通过复杂的计算机模拟，终于弄清楚了因瓦合金低膨胀特性的原理，还研发出了一种比因瓦合金更厉害的合金 —— 焦绿石磁体。

维也纳科学集群（VSC）研究中心的谢尔盖・赫梅列夫斯基博士解释说：“温度升高时，材料里的原子会变得更活跃，需要的空间也更大，原子间的平均距离就增加了，这就是热胀冷缩的基本原理，很难避免。但我们可以找到其他效应来抵消它。”

赫梅列夫斯基和他的团队利用计算机模拟，从原子层面分析磁性材料在不同温度下的表现。他们发现，因瓦合金在温度升高时，内部某些电子会改变状态，材料的磁性有序度降低，从而产生收缩，这个收缩效果几乎能完全抵消热膨胀。

以前大家只知道磁性和因瓦合金的特殊性质有关，但是这次维也纳团队的模拟研究，让人们精确掌握了其中的细节，还能预测其他材料的情况。赫梅列夫斯基说：“现在，终于有理论能指导研发热膨胀近乎为零的新材料了。”

为了验证这些理论，赫梅列夫斯基和北京科技大学邢献然教授、曹祎黎副教授的实验团队合作，最终研制出了焦绿石磁体。和之前只有两种金属的因瓦合金不同，焦绿石磁体由锆、铌、铁、钴四种成分组成。曹祎黎副教授介绍说：“这种材料在超过 400 开尔文（约 -233.15℃ 到 166.85℃）的超宽温度范围内，热膨胀系数极低，每开尔文长度变化只有大约万分之一的千分之一。”

焦绿石磁体之所以有这么厉害的性能，是因为它的晶格结构并不完美，材料成分在不同位置有差异，有的地方钴含量多一点，有的地方少一点。这些不同的部分对温度变化的反应不一样，通过巧妙地平衡材料各处的成分，就能让整体的热膨胀几乎为零。

这种材料在温度变化大的环境，或者对精度要求极高的测量技术领域，比如航空航天、高精度电子元件制造等，有着巨大的应用潜力。也许在不久的将来，我们的飞机、卫星用上这种材料，就能更稳定、更安全地运行啦！

参考资料：DOI： 10.1093/nsr/nwae462