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作為長(zhǎng)期合作的一部分，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院Y. Shirley Meng教授實(shí)驗(yàn)室的研究人員與加州大學(xué)圣地亞哥分校的訪問(wèn)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，亞穩(wěn)態(tài)氧-氧化還原活性材料中存在負(fù)熱膨脹，這似乎違反了熱力學(xué)定律。攝影：Jason Smith

在正常狀態(tài)下，這些材料遵循通常的熱力學(xué)規(guī)則。但在所謂的“亞穩(wěn)態(tài)”（一種暫時(shí)的平衡）下，它們的行為則相反。“受熱時(shí)，材料會(huì)收縮而不是膨脹，”發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)研究的資深作者Shirley Meng教授說(shuō)道。這與材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部所謂的無(wú)序-有序轉(zhuǎn)變有關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)記錄到的熱膨脹率為-14.4(2) × 10?? °C?¹，這意味著材料在升溫時(shí)實(shí)際上會(huì)收縮。這與一種名為Grüneisen關(guān)系的常見(jiàn)理論相悖，該理論通常用于解釋材料受熱膨脹的原因。

那么壓力呢？更奇怪。當(dāng)他們以地球板塊的水平向四周擠壓這種物質(zhì)時(shí)，它不僅沒(méi)有變小，反而膨脹了。“負(fù)壓縮性就像負(fù)熱膨脹，”張明浩教授解釋說(shuō)。“如果你從各個(gè)方向壓縮一個(gè)物質(zhì)粒子……它就會(huì)膨脹。”

他們還發(fā)現(xiàn)，電流可以重置材料的結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整電壓極限，他們幾乎恢復(fù)了100%的原始結(jié)構(gòu)和性能。這對(duì)于電池技術(shù)，尤其是電動(dòng)汽車（EV）來(lái)說(shuō)，具有巨大的潛力。“當(dāng)我們使用電壓時(shí)，我們會(huì)將材料恢復(fù)到原始狀態(tài)。這樣我們就恢復(fù)了電池，”張教授說(shuō)道。他補(bǔ)充道：“你只需要進(jìn)行電壓激活……你的車就會(huì)煥然一新。你的電池也會(huì)煥然一新。”

這項(xiàng)研究或許能研發(fā)出零熱膨脹的材料，用于從建筑到飛機(jī)等各種領(lǐng)域。張教授指出：“以每一棟建筑為例，你肯定不希望構(gòu)成不同部件的材料體積頻繁變化。”

隨著研究的深入，該團(tuán)隊(duì)希望了解如何利用氧化還原化學(xué)進(jìn)一步控制這些效應(yīng)并拓展實(shí)際應(yīng)用。“目標(biāo)之一是將這些材料從研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化，”共同第一作者鮑秋說(shuō)道。他們的工作開(kāi)辟了一種新的材料設(shè)計(jì)思路，能量不僅能為設(shè)備提供動(dòng)力，還能重塑材料本身。