你听说过节链结构的金属吗？

材料牛注：导体和绝缘体在生活中处处可见，也发挥着各自的作用。现在有研究团队寻找到了一种多节链结构的材料——四氟化铱，具有很多未知的优良性能，关于其导电性的研究仍在进行当中，相信它会给未来的社会带来惊喜的。

如果一个人在一台超级电子显微镜下面深入观察3种不同的固体结构，那么原则上，它们的相同点就是——被晶格和电子包围的原子核。有的电子轨道围绕着原子核，而有的穿梭于整个晶格当中。然而，当分别给它们加上电压时，这3种材料会有不同的表现。

举个例子，第一种材料可能会是导体,易于产生电流。而第二种材料可能是绝缘体，第三种可能是半导体。而我们知道材料的电导率是随着温度的升高而升高的（金属例外），这就是晶体管和电脑芯片的基础。

苏黎世联邦理工学院的理论物理研究所以Manfred Sigrist，Alexey Soluyanov和Andreas Rüegg为首的科学家团队预测了一种新的固体材料，他们将其称之为“节链金属”。它有很多迄今为止仍然未知的性能，因此，这种材料被当成潜力股，有望成为材料中的一匹黑马。

能带结构和费米能级

大体上来说，一个固体材料能不能导电，以及怎么导电由两个因素决定，就是能带结构和费米能级。能带结构指的是内部电子可能占据的能级，当一个自由电子移动地越来越快的时候，会引起动能的增加，但是“镶”在晶格内部的电子只能通过一定间隔或者“能带”来获得能量。

这一点来自于量子机械波的性质，这也是一些电子动能受限的原因，人们也把它称之为“带隙”。另一个因素，费米能级来自于电子的“费米特性”，即两个电子不能占据同一能级。假如在空间上有一微粒，电子从可供占用的最低量子态开始，按照一定规则填充在各个可供占据的量子能态上，最后一个电子的量子态就称之为费米能级。

当一种材料的能带和费米能级已知，就可以预判出它是金属还是绝缘体了，如果费米能级在能带范围内，能量最高的电子就很容易移动从而产生电流，相反，若费米能级与带隙范围相吻合，那这种材料就是绝缘体。同理，其他材料就可以通过此定义来判断它是否为金属，Sigrist 和Rüegg的博士生Tomàš Bzdušek解释道：“我们预测的材料是所谓的半金属材料的表兄弟。”

半金属性材料中的节点

半金属性材料中的热门就是石墨烯，该材料的发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖，而石墨烯的电子在狄拉克点的能带是其导电和导热的原因。这种材料的带隙在狄拉克点处消失了，因此，它们也被称为节点（类比驻波的节点）。在其他半金属性材料中，能带并不涉及孤立点，而是明确的线或面。Soluyanov说：“我们新材料的特性就是内部链与链之间的节点循环。这听起来很奇怪，而且似乎仅在理论上存在，但是我们确实发现了一种材料具有上述特性，那些节链的出现并不是偶然，但是却受限于材料对称的晶格结构。

科学家们把固体物理和高能物理做了一个有趣的对比，在高能物理理论中，因为真空中高度的对称性，节链是不可能的；相反的是，在固态晶体中，对称性较低，可以营造出新型的真空。为了寻找节链结构的材料，研究人员们走过了一条漫长而曲折的道路。理论上的假设很容易,但是实际上要做的是,首先寻找单节链的材料，然后确定这种材料的晶体结构应该具有什么样的对称性质。毕竟，现在已知的晶体对称结构就有230多种，这些对称性质很大程度上和材料的能带结构有关。

Soluyanov和他的同事搜寻了大量的在线数据库（ICSD-无机晶体结构数据库），在数据库中，存储了上千种已知固体以及其晶体结构。最终，他们无意之中发现了一种材料，它不是单节链的结构，而是更加复杂的节链结构，这种材料就是四氟化铱。该实验的成员Quan Sheng Wu说道：“这是一个意外的大惊喜。”

可能的原型

那些少为人知的且又没有特殊用途的固体材料可能是潜力无限的新材料的原型。举个例子，苏黎世的物理学家们预测在特定场合下，固体材料的导电性会受到磁场的影响，这种现象就称之为巨磁电阻效应，在现代数据存储技术上发挥着重要作用。

进一步来讲，四氟化铱的能带结构具有特性，这和它在高温具有超导性能有关。Sigrist坦言道，要走的路还有很长。对这种节链结构的金属材料的实验研究还要继续做下去，这种材料将来也许会有无限的可能……

原文链接：Metal in Chains

本文由材料人编辑部杨洪期提供素材，陈露翻译，李卓审核；点我加入材料人编辑部。