芝加哥大学和加州大学圣地亚哥分校的科学家发现了一组材料，它们在高温、高压或电流作用下会表现出令人惊奇的行为。与大多数材料不同，这些材料受热时会收缩，受压时会膨胀，甚至在施加适当的电荷后会恢复到原始状态。这项研究的重点是氧-氧化还原 (OR) 材料——这类材料可以帮助电池存储更多能量，但由于结构无序，通常会存在稳定性问题。
作为长期合作的一部分，芝加哥大学普利兹克分子工程学院Y. Shirley Meng教授实验室的研究人员与加州大学圣地亚哥分校的访问学者发现，亚稳态氧-氧化还原活性材料中存在负热膨胀，这似乎违反了热力学定律。摄影：Jason Smith
在正常状态下，这些材料遵循通常的热力学规则。但在所谓的“亚稳态”（一种暂时的平衡）下，它们的行为则相反。“受热时，材料会收缩而不是膨胀，”发表在《自然》杂志上的这项研究的资深作者Shirley Meng教授说道。这与材料结构内部所谓的无序-有序转变有关。研究团队记录到的热膨胀率为-14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹，这意味着材料在升温时实际上会收缩。这与一种名为Grüneisen关系的常见理论相悖，该理论通常用于解释材料受热膨胀的原因。
那么压力呢？更奇怪。当他们以地球板块的水平向四周挤压这种物质时，它不仅没有变小，反而膨胀了。“负压缩性就像负热膨胀，”张明浩教授解释说。“如果你从各个方向压缩一个物质粒子……它就会膨胀。”
他们还发现，电流可以重置材料的结构。通过调整电压极限，他们几乎恢复了100%的原始结构和性能。这对于电池技术，尤其是电动汽车（EV）来说，具有巨大的潜力。“当我们使用电压时，我们会将材料恢复到原始状态。这样我们就恢复了电池，”张教授说道。他补充道：“你只需要进行电压激活……你的车就会焕然一新。你的电池也会焕然一新。”
这项研究或许能研发出零热膨胀的材料，用于从建筑到飞机等各种领域。张教授指出：“以每一栋建筑为例，你肯定不希望构成不同部件的材料体积频繁变化。”
随着研究的深入，该团队希望了解如何利用氧化还原化学进一步控制这些效应并拓展实际应用。“目标之一是将这些材料从研究成果转化为产业化，”共同第一作者鲍秋说道。他们的工作开辟了一种新的材料设计思路，能量不仅能为设备提供动力，还能重塑材料本身。
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