Te materiały zdają się przeczyć prawom fizyki. Już wiemy, iż się przydadzą

Wyobraźcie sobie materiał, który kurczy się pod wpływem ciepła, rozszerza po ściśnięciu i może zostać przywrócony do stanu fabrycznego dzięki odpowiedniego napięcia elektrycznego. Brzmi jak science fiction? Tymczasem to właśnie odkryli naukowcy z University of Chicago i UC San Diego w ramach długoterminowej współpracy badawczej. Ich badania opublikowane Nature opisują materiały, które zdają się naruszać podstawowe prawa termodynamiki.

Te niezwykłe substancje to materiały aktywne z reakcją redoks tlenu (OR) w stanie metastabilnym. W normalnych stabilnych warunkach zachowują się jak każdy inny materiał – rozszerzają się pod wpływem ciepła, kurczą pod ciśnieniem. Ale w specjalnym stanie metastabilnym ich reakcje całkowicie się odwracają.

Gdy fizyka staje na głowie

Gdy ogrzewamy materiały, nie ma zmiany objętości. Podczas ogrzewania materiał kurczy się zamiast rozszerzać – wyjaśnia prof. Shirley Meng z UChicago PME, główna autorka badań. To zjawisko, zwane ujemną rozszerzalnością cieplną, występuje z współczynnikiem -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, co oznacza, iż materiał rzeczywiście zmniejsza swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury.

Ale to nie koniec niespodzianek. Gdy zespół poddał materiały ciśnieniu na poziomie gigapaskali – sile porównywalnej z aktywnością płyt tektonicznych – zaobserwowali zjawisko ujemnej ściśliwości. Jeśli ściśniesz cząstkę materiału ze wszystkich stron, naturalnie wyobrażasz sobie, iż się skurczy. Ale ten materiał się rozszerzy – tłumaczy prof. Minghao Zhang, współautor badań.

Najbardziej fascynujące zastosowanie dotyczy regeneracji baterii w pojazdach elektrycznych. Po latach eksploatacji samochód elektryczny, który kiedyś przejechał 400 km na jednym ładowaniu może osiągać zaledwie 200 km. Dzięki nowym materiałom można elektrochemicznie przywrócić baterię do stanu pierwotnego.

Nie musisz odsyłać baterii z powrotem do producenta ani do żadnych dostawców. Po prostu wykonujesz tę aktywację napięciową – wyjaśnia Zhang. Wtedy twój samochód będzie jak nowy. Twoja bateria będzie jak nowa. Mechanizm polega na wykorzystaniu siły napędowej elektrochemicznej do przesunięcia materiałów ze stanu metastabilnego z powrotem do stanu stabilnego.

Precyzyjna kontrola reakcji tych materiałów na różne formy energii może prowadzić do stworzenia materiałów o zerowej rozszerzalności cieplnej. To może zrewolucjonizować budownictwo.

Materiały o zerowej rozszerzalności cieplnej to marzenie, powiedziałbym – podkreśla prof. Zhang. Weźmy każdy pojedynczy budynek, na przykład. Nie chcesz, żeby materiały tworzące różne komponenty zmieniały często objętość. Jednym z najbardziej spektakularnych zastosowań mogą być baterie strukturalne w lotnictwie. Te nowe materiały mogłyby chronić komponenty baterii przed zmianami temperatury i ciśnienia na różnych wysokościach.

Koncepcja baterii strukturalnych nie jest całkiem nowa. Zespoły badawcze z Chalmers University of Technology, KAIST i Imperial College London już eksperymentują z kompozytami z włókien węglowych, które jednocześnie magazynują energię i zapewniają wytrzymałość mechaniczną. Jednak nowe materiały OR mogą znacząco poprawić stabilność takich rozwiązań.

Nauka vs. zastosowania praktyczne

Odkrycie kwestionuje konwencjonalne rozumienie termodynamiki materiałów, szczególnie w kontekście parametru Grüneisena – kluczowego wskaźnika opisującego związek między drganiami sieci krystalicznej a rozszerzalnością cieplną. W materiałach OR z ujemną rozszerzalnością cieplną fonony o niskich częstotliwościach z ujemnymi parametrami Grüneisena odgrywają kluczową rolę.

To odkrycie otwiera zupełnie nową perspektywę projektowania materiałów, gdzie energia nie tylko zasila urządzenia, ale także przekształca same elementy konstrukcyjne. W świecie, gdzie każdy gram ma znaczenie – od telefonów przez samochody elektryczne po statki kosmiczne – materiały zdolne do łamania praw fizyki mogą okazać się kluczem do następnej rewolucji technologicznej.