Μια πρωτοποριακή ανακάλυψη από επιστήμονες του University of Chicago και του UC San Diego έρχεται να αμφισβητήσει βασικά αξιώματα της Φυσικής. Ερευνητές εντόπισαν μια κατηγορία υλικών με απρόσμενη και παράδοξη συμπεριφορά όταν εκτίθενται σε θερμότητα, πίεση ή ηλεκτρική ενέργεια. Αντί να αντιδρούν σύμφωνα με τους κανόνες της θερμοδυναμικής, τα συγκεκριμένα υλικά συμπεριφέρονται σαν να λειτουργούν… ανάποδα.
Η μελέτη επικεντρώνεται σε υλικά γνωστά ως oxygen-redox (OR), τα οποία έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας επειδή μπορούν να αυξήσουν την ενεργειακή απόδοση των μπαταριών. Ωστόσο, η αστάθειά τους και οι διαταραχές στη δομή τους καθιστούσαν έως τώρα δύσκολη την πρακτική τους εφαρμογή.
Το παράδοξο εμφανίζεται όταν τα υλικά βρίσκονται σε μια κατάσταση που οι επιστήμονες αποκαλούν «μετασταθή». Πρόκειται για ένα είδος προσωρινής ισορροπίας, στην οποία οι νόμοι της θερμοδυναμικής δεν ισχύουν όπως συνήθως. Σύμφωνα με την καθηγήτρια Shirley Meng, επικεφαλής της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Nature, το υλικό όχι μόνο δεν διαστέλλεται όταν θερμαίνεται, αλλά αντίθετα συρρικνώνεται. «Η συμπεριφορά αυτή σχετίζεται με τη μετάβαση από αταξία σε τάξη στη δομή του υλικού», εξηγεί η Meng.
Οι ερευνητές μέτρησαν έναν αρνητικό συντελεστή θερμικής διαστολής της τάξης του −14,4 × 10⁻⁶ °C⁻¹. Με άλλα λόγια, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, τόσο περισσότερο συστέλλεται το υλικό, ένα φαινόμενο που έρχεται σε αντίθεση με την καθιερωμένη θεωρία Grüneisen, η οποία προβλέπει διαστολή με τη θέρμανση.
Ακόμη πιο ανατρεπτικά ήταν τα ευρήματα όταν το υλικό υποβλήθηκε σε έντονη πίεση. Αντί να συμπιεστεί, όπως θα περίμενε κανείς, παρουσίασε διαστολή. Ο καθηγητής Minghao Zhang εξηγεί: «Η αρνητική συμπιεστότητα είναι αντίστοιχη της αρνητικής θερμικής διαστολής. Όταν πιέζεις το υλικό από όλες τις κατευθύνσεις, αυτό… διαστέλλεται». Πρόκειται για φαινόμενα που δύσκολα εξηγούνται με βάση τους συμβατικούς νόμους της φυσικής, και για τον λόγο αυτό η ανακάλυψη έχει προκαλέσει ενθουσιασμό αλλά και ερωτήματα.
Ωστόσο, η καινοτομία δεν σταματά εκεί. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι είναι δυνατή η πλήρης αποκατάσταση της αρχικής δομής του υλικού με τη χρήση ηλεκτρικής τάσης. Με απλές ρυθμίσεις στα όρια της τάσης, η απόδοση και η αρχιτεκτονική του υλικού επανέρχονται σχεδόν στο 100% της αρχικής τους κατάστασης. Αυτό ανοίγει νέους δρόμους για την τεχνολογία των μπαταριών, και ειδικά για τη βιομηχανία των ηλεκτρικών οχημάτων.
«Χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενεργοποίηση, μπορούμε να επαναφέρουμε το υλικό σαν να είναι καινούριο», δηλώνει ο Zhang. «Το ίδιο ισχύει και για τις μπαταρίες: με αυτή τη διαδικασία, είναι σαν να αποκτάς ένα νέο αυτοκίνητο, με καινούρια μπαταρία». Αν η τεχνολογία αυτή βρει εφαρμογή σε μαζική παραγωγή, θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζουμε τη φθορά και την ανακύκλωση των μπαταριών.
Αλλά οι δυνατότητες των νέων αυτών υλικών δεν περιορίζονται μόνο στον τομέα της ενέργειας. Η ιδιότητά τους να έχουν μηδενική ή ελεγχόμενη θερμική διαστολή μπορεί να φανεί χρήσιμη σε πληθώρα εφαρμογών, από τις κατασκευές κτηρίων μέχρι τα αεροσκάφη. Ο Zhang αναφέρει χαρακτηριστικά:
Σε κάθε κατασκευή, δεν θέλεις τα υλικά να αλλάζουν όγκο διαρκώς. Ένα υλικό που δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία μπορεί να προσφέρει τεράστια πλεονεκτήματα.
Στο επόμενο στάδιο, η ομάδα σκοπεύει να μελετήσει πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η redox χημεία για τον έλεγχο αυτών των ιδιοτήτων και να επεκτείνει τη χρήση των υλικών αυτών και σε άλλες βιομηχανίες. Όπως δηλώνει ο συν-συγγραφέας Bao Qiu, ένας από τους κύριους στόχους είναι η μεταφορά της έρευνας από το εργαστήριο στη βιομηχανική πράξη. Η μελέτη αυτή ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στον σχεδιασμό υλικών, όπου η ενέργεια δεν τροφοδοτεί απλώς τις συσκευές, αλλά επηρεάζει και την ίδια τη δομή των υλικών.
[via]
