Ученые из Чикагского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили группу материалов, которые демонстрируют удивительное поведение при воздействии высоких температур, высокого давления или электрического тока. В отличие от большинства материалов, они сжимаются при нагревании, расширяются при нажатии и даже возвращаются в исходное состояние при приложении соответствующего заряда. Исследование сосредоточено на кислородно-окислительно-восстановительных (OR) материалах — классе материалов, которые могут помочь батареям хранить больше энергии, но часто страдают от проблем со стабильностью из-за структурных нарушений.
В рамках долгосрочного сотрудничества исследователи из лаборатории профессора Ширли Менг в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и приглашенные ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что в метастабильных кислородно-окислительно-восстановительных активных материалах существует отрицательное тепловое расширение, что, по-видимому, нарушает законы термодинамики. Фотография: Джейсон Смит
В нормальных условиях эти материалы подчиняются обычным правилам термодинамики. Но в так называемом «метастабильном состоянии», временном равновесии, они ведут себя в противоположном направлении. «При нагревании материалы сжимаются, а не расширяются», — сказала профессор Ширли Мэн, старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature. Это связано с так называемым переходом от беспорядка к порядку внутри структуры материала. Исследовательская группа зафиксировала скорость теплового расширения -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, что означает, что материал фактически сжимается при нагревании. Это противоречит общепринятой теории, называемой соотношением Грюнайзена, которая часто используется для объяснения того, почему материалы расширяются при нагревании.
А как насчет стресса? Еще более странный. Поскольку они сжимали материал во всех направлениях на уровне земных плит, он не сжимался, а расширялся. «Отрицательная сжимаемость подобна отрицательному термическому расширению», — объясняет профессор Чжан Минхао. «Если сжать частицу материи со всех сторон… она расширится».
Они также обнаружили, что электрический ток может изменить структуру материала. Регулируя пределы напряжения, они восстановили почти 100% исходной структуры и производительности. Это открывает огромный потенциал для аккумуляторных технологий, особенно для электромобилей (EV). «Когда мы подаем напряжение, мы восстанавливаем материал в исходное состояние. Таким образом мы восстанавливаем батарею», — сказал профессор Чжан. Он добавил: «Вы просто активируете напряжение… и ваша машина будет выглядеть как новая. Ваша батарея будет выглядеть как новая».
Это исследование может привести к разработке материалов с нулевым тепловым расширением для использования во всем: от зданий до самолетов. Профессор Чжан отметил: «Возьмите в качестве примера каждое здание. Вы определенно не хотите, чтобы объем материалов, из которых состоят различные части, часто менялся».
По мере продвижения своих исследований команда надеется понять, как можно использовать окислительно-восстановительную химию для дальнейшего контроля этих эффектов и расширения практического применения. «Одна из целей — превратить эти материалы из результатов исследований в индустриализацию», — сказал соавтор Цю Бао. Их работа открывает новый взгляд на дизайн материалов, где энергия не только питает устройства, но и изменяет форму самих материалов.