Kurczy się ciepłem, rozszerza się pod ciśnieniem: odkryty materiał, który kwestionuje fizykę

Zespół naukowców odkrył klasę materiałów, które podważają konwencje: kurczą się po ogrzewaniu i rozszerzaniu się pod presją – w szoku z podstawowymi prawami fizyki. Odkrycie ma wiele praktycznych zastosowań, w tym nowością starego samochodu elektrycznego.

Co się rozwija po zmiażdżeniu, kurczy się po podgrzaniu i może przekształcić fundamentalne zrozumienie naukowców na temat materiałów i przywrócić wydajność starych akumulatorów pojazdów elektrycznych?

To nie jest zagadka – Jest to nowa i niezwykła klasa materiałów odkrytych przez badaczy baterii z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (Uchicago PME) we współpracy z gościnnymi naukowcami z University of California (UCSD).

W trakcie swoich badań, które zostały przedstawione w środę w czasopiśmie Nature, zespół odkrył materiały, które pokazują nieruchomości ujemne rozszerzenie termiczne W stanach metastabilnych aktywny tlen.

Mówiąc prostszym, badacze opracowali materiały, które wydają się Rzuć wyzwanie tradycyjnych oczekiwań opartych na termodynamicewyjaśnia.

Zwykle stabilne materiały Reagują przewidywalnie na ciepłociśnienie lub energia elektryczna. Jednakże, stany meta -stabilne niedawno zidentyfikowane, Te reakcje są odwróconezachowując się dokładnie w przeciwieństwie do konwencjonalnych norm.

„Kiedy ogrzewamy materiały, nie ma zmiany objętości. Po cieple materiały zmniejszają się zamiast rozszerzania się” – powiedział Ying Shirley MengProfesor inżynierii molekularnej w Uchicago PME.

„Uważamy, że możemy dostosować właściwości tych materiałów poprzez chemię redoks. To może prowadzić do bardzo interesujących aplikacji„Zwróć uwagę na badacz i główny autor badania.

„Jednym z celów jest przyniesienie tych materiałów dochodzenia w branżyprawdopodobnie rozwijanie nowe baterie o wyższej energii specyficznej„, mówi Bao Qiubadacz z UCSD i współautor badania.

Poza niezliczona ilość nowych technologii Umożliwione przez to odkrycie dochodzenie reprezentuje postęp w czystej nauce. Dla Meng jest to jeszcze bardziej ekscytujące. „Ten zmienia nasze rozumienie podstawowej nauki„, Afirma Meng.

Budynki, baterie i „szalone pomysły”

Przerzedzając sposób, w jaki materiały te reagują na ciepło i inne formy energii, naukowcy mogą Twórz materiały o zerowym rozszerzeniu termicznym. To może zrewolucjonizuj obszary takie jak budowa.

„Zero materiałów rozszerzających się są marzeniemPowiedziałbym – powiedział nauczyciel Minghao ZhangW Autor korespondent Z pracy. „Weźmy wszystkie budynki jako przykład. Nie chcemy, aby materiały, które tworzą różne komponenty, często zmieniają objętość”.

Ale Ciepło to tylko forma energii. Aby przetestować sposób, w jaki materiały reagują na energię mechanicznyśledczy nas skompresowali Poziom gigapascal – Tak wysoki poziom presji, że zwykle jest zarezerwowany do omówienia Aktywność płytek tektonicznych.

Znalazłem to, co nazywają „ujemna ściśliwość„.

„Ujemna ściśliwość jest jak ujemna ekspansja termiczna” – powiedział Zhang. „Jeśli skompresujemy cząstkę materiału we wszystkich kierunkach, wyobrażamy sobie, że naturalnie się kurczy. Ale ten materiał się rozwija„.

Materiał przystosowany do odporności ciepła lub ciśnienia może pozwolić niektórym „Szalone pomysły” wcześniej teoretycznemówi Minghao Zhang, który podaje przykład baterie konstrukcyjnegdzie ściany płaszczyzny elektrycznej również działają jako Komponenty bateriiPomaganie w tworzeniu lżejszych i bardziej wydajnych samolotów.

Te nowe materiały mogą zapewnić bezpieczeństwo komponentów akumulatora przed zmianami temperatury i ciśnienia zarejestrowane na różnych wysokościach, tworząc Niebo przestaje być granicą Dla tej nowej technologii.

Stary elektryczny jako nowy

Podobnie jak w przypadku ciepła i ciśnienia, reakcja materiałów stabilnych na energię elektrochemiczną, Napięcie jest również odwrócone.

„Jest to ważne nie tylko jako odkrycie naukowe, ale także bardzo Mające zastosowanie do dochodzenia baterii„Zhang powiedział.” Kiedy używamy napięcia, sprowadzamy materiał z powrotem do jego pierwotnego stanu. Odzyskaliśmy baterię. „

Aby zrozumieć metaestalność, Wyobraź sobie piłkę na wzgórzu. Piłka jest niestabilna na szczycie wzgórza. Toczy się. Jest stabilny na dole wzgórza. Nie przewróci się Na górę. Stan metaystyczny jest w środkupiłka u szczytu wzgórza, ale położona w dziurze.

Ten metabilny stan Może być dość trwałe – Na przykład diamenty są metastabilną formą grafitu. Ale energia jest potrzebna Aby wypchnąć metastabilny materiał z „dziury”, abyś mógł wrócić do stanu stabilnego.

„Aby materiały przeszły ze stanu metastabilnego do stanu stabilnego, Nie jest konieczne zawsze wykorzystywanie energii cieplnej„Powiedział Zhang.” Można użyć Każdy rodzaj energii Aby system powrócił. „

To wskazuje na sposób odzyskać baterie pojazdów elektrycznych w wieku. Po latach w drodze samochód, który przejechał, na przykład 600 km z obciążeniem, będzie podróżował tylko 350 lub 300 km, zanim będzie musiał być podłączony do prądu.

Za pomocą Elektrochemiczna siła motorizerów Aby „popchnąć materiały” do stabilnych stanów, Samochód znów miałby autonomię Miałem, kiedy był młody.

„Nie musisz odsyłać baterii z powrotem do producenta lub dowolnego dostawcy. Po prostu wykonaj tę aktywację napięcia„Powiedział Zhang.” Wtedy twój samochód będzie nowym samochodem. Twoja bateria będzie nową baterią„.