一维负压缩低价态金属硼酸盐特种光学材料的探索

In this project, based on first-principles computational and analysis tool, combined with experimental investigation such as high-pressure and variable-temperature XRD, we will perform systematic exploration of novel negative compressibility special optical materials that can be used in extreme environment such as high-pressure and low-temperature, in low-valence metal borate optical materials with one-dimensional structure. We will also elaborate the microscopic structural origin and establish the structure-property relationship of the discovered negative compressibility and related thermal property, laying the foundation for the further summary of structural selection and molecular design in the future.

基于第一性原理的计算分析方法，结合高压和变温XRD等研究手段，在一维结构低价态金属硼酸盐光学材料体系中探索可应用于高压低温等极端环境的新型负压缩特种光学材料。阐明其微观结构起源，构建其负压缩及相关热学性质的构效关系，为进一步总结该材料体系结构选型依据和未来相关分子设计提供研究基础。

负压缩/负热膨胀材料是一类具有反常应力/温度—应变响应的特种功能材料。本课题从结构-功能关系出发，在一维低价态金属硼酸盐晶体中探索具有负压缩/负热膨胀性质的特种光学材料。提出了负压缩/负热膨胀性质的“鲁班凳”，“褶皱石墨”和“笼状受限”模型，发现了宽压力/温度区间的负压缩/负热膨胀光学晶体材料，包括线性零压缩材料AEB2O4(AE=Ca,Sr)， 负、零、正压缩共存的材料LiBO2, 近零膨胀材料Zn4B6O12X(X=O,S, Se)，线性零膨胀材料BPO4，以及负面压缩材料Ag2C2O4等。阐明了相关反常力学/热学性质源自于低维硼氧骨架中刚性基团之间的扭转与金属原子—氧原子离子键拉伸之间的耦合作用。生长得到了相关材料厘米级的晶体，测得了AEB2O4(AE=Ca,Sr)、LiBO2、 BPO4、Zn4B6O12X(X=O,S, Se)的透光范围涵盖了整个紫外、可见及近红外波段，并且呈现出高的压力/温度稳定性，是应用在深海/深空等高压力/温度涨落环境中潜在的光学晶体材料。基于负压缩/负热膨胀性质和优异的光学透过性能，对其在深海/深空中应用的原理性光学器件进行了设计。该项目的研究成果证明了硼酸盐是一个丰富的具有负压缩/负热膨胀性质的光学材料宝库，其总结出来的负压缩/负热膨胀的结构功能关系将非常有助于新型负压缩/负热膨胀功能材料的探索与结构设计。