由芝加哥大學普利茲克分子工程學院領導的一個團隊發現了一種打破常規的材料，這種材料在加熱時收縮，在壓力下會膨脹，這標誌著基礎科學的突破。

什麼東西在擠壓時會膨脹，在加熱時會收縮，既能改變科學家對材料的基本理解，又能使舊的電動汽車電池恢復到新的性能？

這不是一個謎 —— 這是芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago PME）的電池研究人員與來自加州大學聖地牙哥分校的訪問科學家合作發現的一種非凡的新材料。通過他們正在進行的研究合作，該團隊發現了在亞穩態、氧氧化還原活性狀態下表現出負熱膨脹特性的材料。

簡單地說，這些研究人員開發的材料似乎違背了基於熱力學的傳統期望。通常，穩定的材料對熱、壓力或電的反應是可預測的。然而，在新發現的亞穩態中，這些反應變得相反，行為與傳統規範完全相反。

“當你加熱材料時，體積沒有變化。當加熱時，材料會收縮而不是膨脹，”芝加哥大學PME Liew家族分子工程教授Shirley Meng說，她也是新成立的氣候與可持續增長研究所能源技術倡議的主任。“我們認為，我們可以通過氧化還原化學來調節這些材料的性能。這可以帶來非常令人興奮的應用。”

他們的研究結果發表在《自然》雜誌上。

“目標之一是將這些材料從研究中應用到工業中，可能開發出具有更高比能的新電池，”來自寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）的加州大學聖地牙哥分校訪問學者Bao Qiu說。

除了這一發現帶來的無數新技術之外，這項研究還代表了純科學的進步。對Shirley Meng來說，這更令人興奮。

“這改變了我們對基礎科學的理解，”Shirley Meng說。“我們的工作一直以芝加哥大學的模式為指導，這種模式促進了探究和知識的發展。”

建築、電池和“瘋狂的想法”

通過微調這些材料對熱量和其他形式的能量的反應方式，研究人員可以創造出零熱膨脹的材料。這可能會徹底改變建築等領域。

“我想說，零熱膨脹材料是夢想，”芝加哥大學PME研究協會說。張明浩（音譯）教授，本論文共同通訊作者。“以每一棟建築為例。你不希望構成不同元件的材料經常改變體積。”

但熱只是能量的一種形式。為了測試這些材料對機械能的反應，他們將其壓縮到千兆帕斯卡的水準 —— 這個壓力水準高到通常只有在討論構造板塊活動時才會用到。他們發現了所謂的“負壓縮性”。

“負壓縮性就像負熱膨脹，”張教授說。“如果你從各個方向壓縮一個材料粒子，你可以想像，它自然會收縮。但這種材料會膨脹。”

張教授說，一種可以抵抗高溫或壓力的材料可以實現一些以前理論上的“瘋狂想法”。他舉了一個結構電池的例子，全電動飛機的艙壁兼作電池牆，有助於製造更輕、更高效的飛機。這些新材料可以保護電池元件免受不同高度溫度和壓力變化的影響，使天空不再是這項新技術的極限。

讓舊電動汽車煥然一新

與熱和壓力一樣，亞穩材料對電化學能量（電壓）的反應也發生了反轉。

張教授說：“這不僅是一項重要的科學發現，而且非常適用於電池研究。”“當我們使用電壓時，我們將材料驅動回其原始狀態。我們回收了電池。”

為了理解亞穩態，想像一下山上的一個球。球在山頂上不穩定。它會滾下來。它在山腳下很穩定。它滾不起來。亞穩態在兩者之間，一個靠近山頂的球，但坐落在一塊草皮上。這種亞穩態可以相當持久 —— 例如，金剛石就是石墨的亞穩態形式。但是需要能量把亞穩態物質從它的“草皮”中推出來，這樣它才能回滾到穩定狀態。

“為了使材料從亞穩態回到穩定狀態，你不必總是使用熱能，”張教授說。“你可以使用任何一種能量來驅動系統。”

這為重置老化的電動汽車電池開闢了一條道路。例如，一輛充電一次能跑400英里的電動汽車，經過多年的行駛，在充電前只能行駛300或200英里。利用電化學驅動力將這些材料推回到它們的穩定狀態，可以使汽車恢復到新車時的行駛里程。

“你不必把電池送回製造商或任何供應商那裡。你只要做這個電壓啟動，”張教授說。“那麼，你的車將是一輛新車。你的電池將是一塊新電池。”

研究人員表示，下一步是繼續使用氧化還原化學來檢查材料並“提取關鍵點”，探索這一基礎研究新領域的邊界。