Giant Negative Thermal Expansion Induced by Topological Phase Transition in a Potassium Zinc Phosphate Material

磷酸盐 负热膨胀 热膨胀 相变 化学 磷酸锌 相(物质) 拓扑(电路) 材料科学 无机化学 凝聚态物理 物理 冶金 有机化学 数学 组合数学
作者
Ling Chen,Xin Liu,Yi‐Chang Yang,Qianqian Liu,Shuang Zhao,Tong Yu,Li‐Ming Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202507107
摘要

Negative thermal expansion (NTE) materials exhibits the counterintuitive property of volume contraction upon heating, which is critical for precision engineering applications. While significant progress has been made in NTE material discovery and mechanism understanding, developing cost‐effective systems with strong NTE effects remains challenging. Here we report that an economical phosphate material, KZn(PO3)3, which demonstrates a record‐breaking volumetric contraction (ΔV/V = −11.49%) during its low‐temperature to high‐temperature phase transition. This exceptional NTE behaviour originates from an unprecedented topological phase transition involving structural reorganization from infinite (PO4)∞‐chains (C∞ symmetry) to discrete P3O9‐rings (C3 symmetry). The variable‐cell nudged elastic band, ab initio molecular dynamics and self‐consistent phonon calculations reveal a threefold mechanism: (1) reduced K−K distance minimize electrostatic repulsion, (2) covalent bond rearrangement enables the chain‐to‐ring transformation, and (3) pronounced vibrational modes of O1 atoms destabilize the anionic chains, promoting their cleavage. Concurrently, these cooperative effects drive the observed giant NTE, while the resulting hexagonal‐closed‐packed (hcp) K+ sublattice further enhances structural contraction.
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