ما يتمدد عند الضغط عليه وينكمش عند التسخين، يؤديان إلى تغيير فهم العلماء الأساسي للمواد،مرة أخرىهل يمكن إعادة بطارية السيارة الكهربائية القديمة لتعمل كالجديدة؟هذا ليس لغزا.جامعة شيكاغو بوليتزريعمل باحثو البطاريات في كلية الهندسة الجزيئية (UCChicago PME) معجامعة كاليفورنيا، سان دييغوتعاون العلماء الزائرون لاكتشاف فئة جديدة غير عادية من المواد. من خلال التعاون البحثي المستمر، اكتشف الفريق المواد التي تظهر خصائص التمدد الحراري السلبي في الحالات النشطة شبه المستقرة للأكسجين والاختزال.
باختصار، يبدو أن المواد التي طورها هؤلاء الباحثون تتحدى التوقعات التقليدية القائمة على الديناميكا الحرارية. وبشكل عام، تستجيب المواد المستقرة بشكل متوقع للحرارة أو الضغط أو التيار الكهربائي. ومع ذلك، في الحالة شبه المستقرة المكتشفة حديثًا، يتم عكس هذه التفاعلات وتتصرف في الاتجاه المعاكس تمامًا للمعايير التقليدية.
وقالت شيرلي مينج، وهي أستاذة في الهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو ومديرة برنامج تقنيات الطاقة في معهد المناخ والنمو المستدام المنشأ حديثًا: "عندما تقوم بتسخين هذه المواد، لا يتغير الحجم. وعندما يتم تسخينها، تتقلص المواد بدلاً من أن تتوسع". "نعتقد أنه يمكننا ضبط خصائص هذه المواد من خلال كيمياء الأكسدة والاختزال. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تطبيقات مثيرة للغاية."
ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في مجلة الطبيعة.
وقال باو تشيو، المؤلف الأول المشارك للورقة البحثية والباحث الزائر في جامعة كاليفورنيا وسان دييغو ومعهد نينغبو لتكنولوجيا وهندسة المواد (NIMTE): "أحد أهدافنا هو ترجمة هذه المواد من نتائج الأبحاث إلى النتائج الصناعية لتطوير بطاريات جديدة ذات طاقة محددة أعلى".
لم يؤد هذا الاكتشاف إلى ظهور العديد من التقنيات الجديدة فحسب، بل يمثل أيضًا تقدمًا في مجال العلوم البحتة. بالنسبة لمينج هونغوي، هذا أكثر إثارة.
وقال البروفيسور منغ: "هذا يغير فهمنا للعلوم الأساسية". "لقد استرشد عملنا بنموذج جامعة شيكاغو، الذي يشجع على الاستفسار من أجل الاستفسار والمعرفة في حد ذاتها."
ومن خلال الضبط الدقيق لكيفية استجابة هذه المواد للحرارة وأشكال الطاقة الأخرى، يمكن للباحثين إنشاء مواد ذات تمدد حراري صفر. وهذا يمكن أن يحدث ثورة في مجالات مثل البناء.
قال مينغهاو تشانغ، الأستاذ المشارك في هندسة الآلات بجامعة شيكاغو والمؤلف المشارك للورقة البحثية: "أود أن أقول إن عدم وجود مواد تمدد حراري هو الحلم". "في كل مبنى، لا تريد أن تتغير باستمرار أحجام المواد التي تشكل الأجزاء المختلفة."
كجزء من تعاون بحثي طويل الأمد، اكتشف الباحثون في مختبر البروفيسور واي. شيرلي منغ في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو والعلماء الزائرين في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، أن المواد النشطة للأكسجين والاختزال والاختزال تظهر تمددًا حراريًا سلبيًا، والذي يبدو أنه ينتهك قوانين الديناميكا الحرارية. حقوق الصورة: كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو/جايسون سميث
لكن الحرارة ليست سوى شكل واحد من أشكال الطاقة. ولاختبار كيفية استجابة هذه المواد للطاقة الميكانيكية، قاموا بضغطها إلى جيجاباسكال، وهو مستوى ضغط مرتفع جدًا وعادةً ما يكون مخصصًا للمناقشات حول نشاط الصفائح. لقد اكتشفوا ما يعرف بـ "الضغط السلبي".
وقال البروفيسور تشانغ: "الانضغاطية السلبية تشبه التمدد الحراري السلبي". "إذا قمت بضغط جسيم مادي من جميع الاتجاهات، فمن الطبيعي أن تتخيله يتقلص. لكن هذه المادة تتوسع."
وقال البروفيسور تشانغ إن مادة مصممة خصيصًا مقاومة للحرارة أو الضغط يمكن أن تحقق بعض "الأفكار المجنونة" التي لم تكن موجودة إلا من الناحية النظرية من قبل. وأشار إلى البطاريات الهيكلية كمثال، حيث تتضاعف جدران البطاريات في الطائرات الكهربائية كجدران البطاريات للمساعدة في إنشاء طائرات أخف وزنا وأكثر كفاءة. ويمكن لهذه المواد الجديدة أن تحمي مكونات البطارية من تغيرات درجات الحرارة والضغط على ارتفاعات مختلفة، مما يجعل تطبيق هذه التقنية الجديدة لم يعد يقتصر على السماء.
كما هو الحال مع الحرارة والضغط، فإن المواد شبه المستقرة تعكس استجابتها للطاقة الكهروكيميائية (الجهد).
وقال البروفيسور تشانغ: "هذا ليس اكتشافًا علميًا مهمًا فحسب، بل له أيضًا أهمية كبيرة لأبحاث البطاريات". "عندما نطبق الجهد الكهربي، تعود المادة إلى حالتها الأصلية. وبهذه الطريقة نستعيد البطارية."
لفهم قابلية الاستقرار، تخيل كرة على قمة جبل. الكرة غير مستقرة في أعلى الجبل وسوف تتدحرج إلى الأسفل. في أسفل التل، تكون الكرة ثابتة ولن تتدحرج إلى الأعلى. وتقع الحالة شبه المستقرة في مكان ما بينهما، حيث تكون الكرة بالقرب من قمة الجبل ولكن في حالة انخفاض. يمكن أن تكون هذه الحالة شبه المستقرة ثابتة جدًا - على سبيل المثال، الماس هو حالة شبه مستقرة من الجرافيت. لكن هناك حاجة إلى طاقة لدفع المادة شبه المستقرة خارج "الغمازة" بحيث تعود إلى حالة مستقرة.
وقال البروفيسور تشانغ: "لإعادة مادة ما من حالة شبه مستقرة إلى حالة مستقرة، لا تكون هناك حاجة بالضرورة إلى طاقة حرارية". "أي طاقة ستفي بالغرض."
وهذا يفتح طريقة لإعادة ضبط بطاريات السيارات الكهربائية القديمة. بعد سنوات من القيادة، يمكن للسيارة الكهربائية أن تسافر مسافة 400 ميل بشحنة واحدة، ولكنها تدوم بعد ذلك لمسافة 300 أو 200 ميل فقط قبل أن تحتاج إلى إعادة الشحن. إن استخدام القوى الدافعة الكهروكيميائية لدفع المادة نحو حالة مستقرة يمكن أن يعيد النطاق الجديد للسيارة.
وقال تشانغ: "ليس عليك إعادة البطارية إلى الشركة المصنعة أو أي مورد. كل ما عليك فعله هو تنشيط الجهد الكهربائي". "ثم تصبح سيارتك سيارة جديدة. وتصبح بطاريتك بطارية جديدة."
وقال باو زينان إنه في الخطوة التالية، سيستمرون في استخدام كيمياء الأكسدة والاختزال لدراسة هذه المواد و"استخراج النقاط الرئيسية" لاستكشاف حدود هذا المجال البحثي الأساسي الجديد.
تم تجميعها من /ScitechDaily
دوى: 10.1038/s41586-025-08765-x