自然界绝大多数材料遵循“热胀冷缩” 的普遍规律。负热膨胀固体为克服温度波动引起的尺寸提供了关键物质基础。20世纪90年代，具有强负热膨胀效应的氧化物材料（如ZrW2O8）的发现推动了该领域快速发展。近年来，北京科技大学固体化学研究所聚焦kagome金属间化合物磁结构调控和负热膨胀研究，取得了系列进展：如利用化学压力增强铁磁性（Phys. Rev. Lett. 2021, 127(5)， 055501）、层间铁磁性增强（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145(31): 17096.）、以及局域化学异质性制备出超宽温区零膨胀金属间化合物（Natl. Sci. Rev. 2025, 12(3), nwae462）。通过晶格振动、结构相变、磁体积效应和两相复合等机制实现温区、热膨胀系数共同调控（Adv. Mater. 2025, 37(32), e2502030），并推动其在精密器件和工程应用中的发展。

近期，北京科技大学邢献然教授团队在kagome铁磁体Sc0.26Ti0.74Fe2.2中发现自旋重取向诱导巨大负热膨胀，其体膨胀系数在100–200 K温度范围内达到αV = −32.4×10-6 K-1。该工作系统拓展了Sc–Ti–Fe三元相图中Fe过量区域的负热膨胀行为，实现了从正热膨胀到负热膨胀的调控。研究表明Fe过量引入的反占位Fe原子（占据4f晶位）提供了额外的磁交换相互作用，稳定了铁磁态。该材料在约163 K附近发生自旋重取向，磁矩从面内转向c轴方向。与此同时，Fe(2a)位磁矩显著减弱，理论分析指出负热膨胀与Fe(2a)位的电子结构重构密切相关，而自旋重取向正是这一电子结构重构的重要标志。

图1 Sc-Ti-Fe金属的负热膨胀和磁结构

本研究深入理解kagome金属间化合物的自旋-晶格耦合，为设计具有负热膨胀的金属材料提供思路。相关成果以"Realization of Giant Negative Thermal Expansion via a Significantly Decreased Local Moment in a Kagome Ferromagnet with Spin Reorientation"为题，发表在近期的Journal of the American Chemical Society上。文章第一作者固体化学研究所周浩维博士，通讯作者固体化学研究所的曹宜力教授和邢献然教授。

该工作得到了国家自然科学基金、北京市科协“高创计划”青年人才托举工程等项目资助。奥地利维也纳工业大学、兰州大学等参与了磁结构理论研究。文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c07617。