Вчені з Університету Чикаго та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго виявили групу матеріалів, які поводяться надзвичайно незвично під впливом тепла, тиску або електричного струму. Замість того щоб реагувати, як більшість матеріалів, ці — стискаються при нагріванні, розширюються під тиском і навіть можуть повертатися до первісного стану під дією електричного заряду.
Дослідження зосереджене на так званих киснево-редоксних (OR) матеріалах — це типи речовин, здатні зберігати більше енергії в акумуляторах, але які зазвичай мають проблеми зі стабільністю через структурні порушення. У звичайному стані ці матеріали дотримуються класичних термодинамічних законів. Але в так званому метастабільному стані — тимчасовій рівновазі — вони поводяться навпаки.
«Під час нагрівання матеріал стискається замість того, щоб розширюватися», — пояснила професорка Ширлі Мен, головна авторка дослідження, опублікованого в журналі Nature. Це пов’язано з явищем, відомим як перехід від безладу до порядку у структурі матеріалу.
Команда зафіксувала негативний коефіцієнт теплового розширення −14.4(2)×10⁻⁶ °C⁻¹, тобто при нагріванні матеріал фактично стискається, що суперечить загальноприйнятій рівновазі Ґрюнайзена, яка зазвичай пояснює, чому матеріали розширюються під впливом тепла.
А як щодо тиску? Ще дивніше. Коли на матеріал чинили тиск з усіх боків на рівні, подібному до того, що виникає в тектонічних плитах Землі, він не стискався, а розширювався. «Негативна стисливість — це як негативне теплове розширення», — пояснив професор Мінхао Чжан. «Якщо стиснути частинку цього матеріалу з усіх боків… вона розшириться.»
Також вчені з’ясували, що електричний струм може “перезапускати” структуру матеріалу. Завдяки точному налаштуванню меж напруги їм вдалося відновити майже 100% початкової структури й ефективності матеріалу. Це відкриває великі перспективи для технологій акумуляторів, особливо у сфері електромобілів (EV).
«Коли ми подаємо напругу, ми повертаємо матеріал до його початкового стану. Ми відновлюємо акумулятор», — пояснив професор Чжан. Він додав: «Ви просто активуєте матеріал за допомогою напруги… і ваш автомобіль — як новий. Акумулятор — як новий.»
Це дослідження також може прокласти шлях до створення матеріалів із нульовим тепловим розширенням, що особливо корисно в таких сферах, як архітектура, авіація та точна інженерія.
Чжан зазначив: «Візьміть, наприклад, будь-яку будівлю. Ви не хочете, щоб матеріали, з яких зроблені різні її частини, постійно змінювали об’єм.»
У майбутньому команда планує глибше дослідити, як окисно-відновна хімія (редокс) може ще ефективніше контролювати ці аномальні ефекти і розширити їхнє практичне застосування.
«Одна з наших цілей — перенести ці матеріали з лабораторії у промисловість», — сказав Бао Цю, один із перших авторів дослідження. Їхня робота відкриває новий підхід до розробки матеріалів, де енергія не просто живить пристрої, а перетворює самі будівельні блоки матерії. Джерело