來自美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、阿拉巴馬大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家們在一種此類材料被冷卻到其MIT溫度以下時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化方面有了驚人的發(fā)現(xiàn)。這種材料是二氧化釩，研究小組在其中加入了不同數(shù)量的另一種元素，鉬。

阿貢材料科學(xué)部的高級物理學(xué)家Ray Osborn說：“我們的結(jié)果表明，在低于MIT溫度的樣品中形成了微小的結(jié)構(gòu)扭曲。這些變形是二維的形狀，即有長度和寬度但基本上沒有厚度的平面。然而，平均而言，樣品的整體三維結(jié)構(gòu)保持不變。”

純二氧化釩中的MIT現(xiàn)象在1959年首次被報(bào)道。它是少數(shù)幾種在接近室溫時(shí)發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的材料之一，這對實(shí)際應(yīng)用來說是非常可取的。在發(fā)現(xiàn)60年后，這種轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制仍然是一個(gè)謎。該團(tuán)隊(duì)試圖通過在結(jié)構(gòu)中加入鉬來更好地理解二氧化釩的物理學(xué)。

阿拉巴馬大學(xué)副教授Jared Allred說：“作為一名化學(xué)家，我有興趣了解通過添加鉬等元素對二氧化釩進(jìn)行化學(xué)改性對MIT的影響?！?/p>

隨著研究小組在二氧化釩中加入越來越多的鉬，他們數(shù)據(jù)中顯示MIT的信號變得越來越不明顯，直到它幾乎消失。這一點(diǎn)發(fā)生在19%的釩原子被鉬取代時(shí)。伴隨著MIT信號的下降，其發(fā)生的溫度也在下降。對于純二氧化釩來說，這個(gè)溫度已經(jīng)接近室溫，而對于含有19%鉬的樣品來說，這個(gè)溫度下降到了零下190華氏度。

阿拉巴馬大學(xué)的研究員Matthew Davenport為這項(xiàng)研究準(zhǔn)備了這些樣品。研究小組在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高級光子源（APS）的6-ID-D光束線上使用X射線散射對樣品的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，APS是美國能源部科學(xué)辦公室的一個(gè)用戶設(shè)施。該團(tuán)隊(duì)在很大的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了這種分析，從接近絕對零度到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫。

Osborn說：“我們在APS使用的方法使我們能夠收集大量的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為納米級原子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)三維模型。該團(tuán)隊(duì)以每秒10張圖片的速度為每個(gè)樣品拍攝了幾十萬張圖片。對于含19%鉬的樣品，在約零下240華氏度的圖像中出現(xiàn)了意想不到的棒狀物，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MIT的溫度?！?/p>

Allred說：“這些棒狀物表明，在這種材料的微觀區(qū)域的三維秩序崩潰后出現(xiàn)了新的二維結(jié)構(gòu)。盡管微區(qū)域發(fā)生了這些變化，但該材料的整體三維結(jié)構(gòu)仍保持不變。在進(jìn)一步的研究中，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)這些二維結(jié)構(gòu)并不是完全平坦的。”

Osborn描述了團(tuán)隊(duì)成員第一次看到X射線散射結(jié)果時(shí)大開眼界的時(shí)刻。他說：“我們大吃一驚。我們在X射線散射結(jié)果中看到了一個(gè)不應(yīng)該存在的現(xiàn)象：棒子是波浪形的--這是我們以前從未見過的。波浪形被證明是一個(gè)跡象，表明這些薄片事實(shí)上并不是完美的二維平面?！?/p>

為了更好地理解這些結(jié)果背后的機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)在X射線散射中使用了一種相對較新的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，被稱為3D-差分對分布函數(shù)分析。這種方法使研究小組能夠在原子尺度上直接查看結(jié)構(gòu)，正好顯示了當(dāng)?shù)陀贛IT溫度時(shí)，原子如何扭曲材料中的二維平面。

“我們并沒有解決最初的問題--關(guān)于二氧化釩的MIT機(jī)制的問題，”Allred承認(rèn)。然而，在探究可能的解釋時(shí)，這項(xiàng)工作應(yīng)該導(dǎo)致一個(gè)更完整的MIT物理模型，而這種理解可能有助于實(shí)現(xiàn)這種材料在溫度敏感設(shè)備和節(jié)能系統(tǒng)中的商業(yè)潛力。