Команда під керівництвом UChicago Pritzker Molecular Engineering виявила матеріали, які суперечать умовам, стискаючись при нагріванні та розширюючись під тиском, знаменуючи собою прорив у фундаментальній науці. Що розширюється при роздавлюванні, звужується при нагріванні, і може одночасно змінити фундаментальне розуміння вченими матеріалів і повернути старим батареям електромобілів роботу, як нову? Це не загадка — це дивовижний новий клас матеріалів, відкритий дослідниками акумуляторів Прітцкерівської школи молекулярної інженерії Чиказького університету (UChicago PME) у співпраці з запрошеними вченими з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. Завдяки постійному дослідницькому партнерству команда виявила матеріали, що демонструють негативні властивості теплового розширення в метастабільних, киснево-відновних активних станах. Простіше кажучи, ці дослідники розробили матеріали, які, здається, суперечать традиційним очікуванням, заснованим на термодинаміці. Як правило, стабільні матеріали реагують передбачувано на тепло, тиск або електрику. Однак у нещодавно ідентифікованих метастабільних станах ці реакції стають інвертованими, ведучи себе прямо проти звичайних норм. «Коли ви нагріваєте матеріали, об’єм не змінюється. При нагріванні матеріал стискається, а не розширюється», — сказала Ширлі Менг, професор факультету молекулярної інженерії Liew Family з UChicago PME, яка також є директором Ініціативи енергетичних технологій нещодавно створеного Інституту клімату та сталого розвитку. «Ми вважаємо, що можемо налаштувати властивості цих матеріалів за допомогою окисно-відновної хімії. Це може призвести до дуже захоплюючих застосувань». Їх результати були опубліковані в Nature. «Одна з цілей полягає в тому, щоб перенести ці матеріали з досліджень у промисловість, можливо, розробити нові батареї з вищою питомою енергією», — сказав один із авторів Бао Цю, запрошений науковий співробітник Каліфорнійського університету в Сан-Дієго з Інституту технології матеріалів та інженерії Нінбо (NIMTE). Окрім величезної кількості нових технологій, створених завдяки цьому відкриттю, дослідження є прогресом у чистій науці. Для Менга це ще більше захоплююче. «Це змінює наше розуміння фундаментальної науки», — сказав Мен. «Наша робота керувалася моделлю Університету Чикаго, моделлю, яка сприяє дослідженню та знанням заради них самих». Будинки, батареї та «дикі ідеї» Тонко налаштувавши способи, як ці матеріали реагують на тепло та інші форми енергії, дослідники могли створити матеріали з нульовим тепловим розширенням. Це може революціонізувати такі сфери, як будівництво. «Я б сказав, що матеріали з нульовим тепловим розширенням — це мрія», — сказав доцент UChicago PME Research. Професор Мінхао Чжан, автор-кореспондент цієї роботи. «Візьмемо, наприклад, кожну окрему будівлю. Ви ж не хочете, щоб матеріали, з яких складаються різні компоненти, так часто змінювали обсяг». Але тепло — це лише одна з форм енергії. Щоб перевірити, як матеріали реагують на механічну енергію, вони стиснули її на рівні гігапаскалів – рівень тиску настільки високий, що його зазвичай резервують для обговорення активності тектонічних плит. Вони виявили те, що вони називають «негативною стисливістю». «Негативна стисливість схожа на негативне теплове розширення», — сказав Чжан. «Якщо ви стиснете частинку матеріалу в усіх напрямках, ви уявите, природно, що вона стиснеться. Але цей матеріал, він розшириться». За словами Чжана, матеріал, налаштований таким чином, щоб протистояти нагріванню або тиску, може дати можливість деяким раніше теоретичним «диким ідеям». Він навів приклад структурних батарей, де стінки EV-літака подвоюються як стінки батареї, допомагаючи створювати легші та ефективніші літаки. Ці нові матеріали можуть захистити компоненти батареї від змін температури та тиску, які спостерігаються на різних висотах, і небо більше не є межею для цієї нової технології. Перетворення старих електромобілів як нових Як і у випадку з теплом і тиском, реакція метастабільних матеріалів на електрохімічну енергію – напругу – також змінюється. «Це важливе не тільки як наукове відкриття, але й дуже придатне для дослідження батарей», — сказав Чжан. «Коли ми використовуємо напругу, ми повертаємо матеріал до його первозданного стану. Ми відновлюємо акумулятор». Щоб зрозуміти метастабільність, уявіть м’яч на пагорбі. М’яч нестійкий на вершині пагорба. Воно скотиться вниз. Він стійкий у підніжжя пагорба. Він не згорнеться . Метастабіль знаходиться посередині, куля біля вершини пагорба, але розташована в дірці. Цей метастабільний стан може бути досить довговічним – наприклад, алмази є метастабільною формою графіту. Але потрібна енергія, щоб виштовхнути метастабільний матеріал із його «розриву», щоб він міг повернутися до свого стабільного стану. «Щоб повернути матеріали з метастабільного стану в стабільний, вам не потрібно завжди використовувати теплову енергію», — сказав Чжан. «Ви можете використовувати будь-яку енергію, щоб повернути систему назад». Це закладає шлях до скидання застарілих акумуляторів електромобілів. Після багатьох років на дорозі електромобіль, який одного разу проїхав, наприклад, 400 миль на зарядці, проїде лише 300 або 200 миль, перш ніж його доведеться підключати до електромережі. Використання електрохімічної рушійної сили для переведення матеріалів у стабільний стан повернуло б автомобілю той пробіг, який він мав, коли був новим. «Вам не потрібно повертати батарею виробнику або будь-якому постачальнику. Ви просто виконуєте цю активацію напруги», — сказав Чжан. «Тоді ваша машина буде новою машиною. Ваша батарея буде новою батареєю». Бао сказав, що наступними кроками є продовження використання окисно-відновної хімії для вивчення матеріалів і «витягнення ключових моментів», досліджуючи межі цієї нової галузі фундаментальних досліджень.