Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο ανακάλυψαν μια ομάδα υλικών που συμπεριφέρονται με εκπληκτικούς τρόπους όταν τίθενται υπό θερμότητα, πίεση ή ηλεκτρισμό. Αντί να αντιδρούν όπως τα περισσότερα υλικά, αυτά μπορούν να συρρικνωθούν όταν θερμαίνονται, να διασταλούν όταν συμπιέζονται, ακόμη και να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση με το σωστό ηλεκτρικό φορτίο. Η εργασία επικεντρώνεται σε υλικά οξειδοαναγωγής οξυγόνου (OR) - τύπους που μπορούν να βοηθήσουν τις μπαταρίες να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια, αλλά συνήθως υποφέρουν από προβλήματα σταθερότητας λόγω δομικής αταξίας.
Στην κανονική τους κατάσταση, τα υλικά ακολουθούν τους συνήθεις κανόνες της θερμοδυναμικής. Αλλά σε αυτό που ονομάζεται «μετασταθής» κατάσταση, ένα είδος προσωρινής ισορροπίας, συμπεριφέρονται αντίστροφα. «Όταν θερμαίνεται, το υλικό συρρικνώνεται αντί να διαστέλλεται», δήλωσε η καθηγήτρια Shirley Meng, κύρια συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Nature. Αυτό συνδέεται με αυτό που είναι γνωστό ως μετάβαση αταξίας-τάξης μέσα στη δομή του υλικού. Η ομάδα κατέγραψε αρνητικό ρυθμό θερμικής διαστολής −14,4(2) × 10⁻6 °C⁻¹, που σημαίνει ότι το υλικό συστέλλεται στην πραγματικότητα όταν θερμαίνεται. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με μια κοινή θεωρία που ονομάζεται σχέση Grüneisen, η οποία συνήθως εξηγεί γιατί τα υλικά διαστέλλονται με τη θερμότητα.
Και πίεση; Ακόμα πιο παράξενη. Όταν έσπρωξαν το υλικό από όλες τις πλευρές σε επίπεδα που παρατηρούνται στις τεκτονικές πλάκες της Γης, αυτό διαστέλλεται αντί να μικραίνει. «Η αρνητική συμπιεστότητα είναι ακριβώς όπως η αρνητική θερμική διαστολή», εξήγησε ο καθηγητής Μινγκάο Ζανγκ. «Αν συμπιέσετε ένα σωματίδιο του υλικού προς κάθε κατεύθυνση... θα διασταλεί».
Διαπίστωσαν επίσης ότι ο ηλεκτρισμός μπορεί να επαναφέρει τη δομή του υλικού. Προσαρμόζοντας τα όρια τάσης, ανέκτησαν σχεδόν το 100% της αρχικής δομής και απόδοσης. Αυτό έχει μεγάλες δυνατότητες για την τεχνολογία μπαταριών, ειδικά για τα ηλεκτρικά οχήματα (EV). «Όταν χρησιμοποιούμε την τάση, οδηγούμε το υλικό πίσω στην άριστη κατάστασή του. Ανακτούμε την μπαταρία», δήλωσε ο Ζανγκ. Πρόσθεσε: «Απλώς κάνετε αυτήν την ενεργοποίηση τάσης... το αυτοκίνητό σας θα είναι ένα καινούργιο αυτοκίνητο. Η μπαταρία σας θα είναι μια καινούρια μπαταρία».
Η έρευνα μπορεί να οδηγήσει σε υλικά με μηδενική θερμική διαστολή, χρήσιμα σε όλα, από κτίρια μέχρι αεροσκάφη. Ο Ζανγκ σημείωσε: «Πάρτε για παράδειγμα κάθε κτίριο. Δεν θέλετε τα υλικά που αποτελούν τα διαφορετικά εξαρτήματα να αλλάζουν όγκο τόσο συχνά».
Καθώς προχωρούν, η ομάδα θέλει να κατανοήσει πώς η οξειδοαναγωγική χημεία μπορεί να ελέγξει περαιτέρω αυτά τα φαινόμενα και να επεκτείνει τις πρακτικές χρήσεις. «Ένας από τους στόχους είναι να φέρουμε αυτά τα υλικά από την έρευνα στη βιομηχανία», δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Bao Qiu. Το έργο τους ανοίγει έναν νέο τρόπο σκέψης για το σχεδιασμό υλικών, όπου η ενέργεια δεν τροφοδοτεί μόνο τις συσκευές, αλλά αναδιαμορφώνει τα ίδια τα δομικά στοιχεία.
Πηγή: Πανεπιστήμιο του Σικάγο
