اكتشف علماء في جامعة شيكاغو وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو مجموعة من المواد التي تظهر سلوكيات مثيرة للدهشة عند تعرضها لدرجات حرارة عالية أو ضغوط عالية أو تيارات كهربائية. وعلى عكس معظم المواد، فإنها تنكمش عند تسخينها، وتتوسع عند الضغط عليها، بل وتعود إلى حالتها الأصلية عند تطبيق الشحنة المناسبة. يركز البحث على مواد الأكسدة والاختزال (OR) - وهي فئة من المواد التي يمكن أن تساعد البطاريات على تخزين المزيد من الطاقة ولكنها غالبًا ما تعاني من مشكلات الاستقرار بسبب الاضطرابات الهيكلية.
كجزء من تعاون طويل الأمد، اكتشف الباحثون في مختبر البروفيسور واي شيرلي مينج في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو والعلماء الزائرين في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، أن هناك تمددًا حراريًا سلبيًا في المواد النشطة للأكسجين والاختزال والاختزال، وهو ما يبدو أنه ينتهك قوانين الديناميكا الحرارية. تصوير: جيسون سميث
في الظروف العادية، تتبع هذه المواد القواعد المعتادة للديناميكا الحرارية. لكن فيما يسمى "الحالة شبه المستقرة"، أي التوازن المؤقت، فإنهم يتصرفون في الاتجاه المعاكس. وقال البروفيسور شيرلي مينج، كبير مؤلفي الدراسة التي نشرت في مجلة نيتشر: "عند تسخينها، تنكمش المواد بدلا من أن تتوسع". ويرتبط هذا بما يسمى بالانتقال من اضطراب إلى ترتيب داخل بنية المادة. سجل فريق البحث معدل تمدد حراري قدره -14.4(2) × 10⁻⁶ درجة مئوية⁻¹، مما يعني أن المادة تنكمش فعليًا مع تسخينها. وهذا يتعارض مع نظرية شائعة تسمى علاقة جرونايسن، والتي غالبا ما تستخدم لشرح سبب تمدد المواد عند تسخينها.
ماذا عن التوتر؟ حتى غريب. إذ قاموا بضغط المادة في كل الاتجاهات على مستوى صفائح الأرض، فبدلاً من أن تتقلص، تتوسع. يوضح البروفيسور تشانغ مينغهاو: "إن الانضغاطية السلبية تشبه التمدد الحراري السلبي". "إذا قمت بضغط جسيم من المادة من جميع الاتجاهات... فسوف يتوسع."
ووجدوا أيضًا أن التيار الكهربائي يمكنه إعادة ضبط بنية المادة. ومن خلال ضبط حدود الجهد الكهربي، تمكنوا من استعادة ما يقرب من 100% من الهيكل الأصلي والأداء. وهذا يحمل إمكانات هائلة لتكنولوجيا البطاريات، وخاصة السيارات الكهربائية. وقال البروفيسور تشانغ: "عندما نطبق الجهد الكهربي، فإننا نعيد المادة إلى حالتها الأصلية. وبهذه الطريقة نستعيد البطارية". وأضاف: "ما عليك سوى تنشيط الجهد... وستبدو سيارتك وكأنها جديدة. وستبدو بطاريتك وكأنها جديدة."
قد يؤدي هذا البحث إلى تطوير مواد ذات تمدد حراري صفري لاستخدامها في كل شيء بدءًا من المباني وحتى الطائرات. وأشار البروفيسور تشانغ: "خذ كل مبنى كمثال، فأنت بالتأكيد لا تريد أن يتغير حجم المواد التي تشكل الأجزاء المختلفة بشكل متكرر."
ومع تقدم أبحاثهم، يأمل الفريق في فهم كيفية استخدام كيمياء الأكسدة والاختزال لمزيد من التحكم في هذه التأثيرات وتوسيع التطبيقات العملية. وقال المؤلف الأول المشارك تشيو باو: "أحد الأهداف هو ترجمة هذه المواد من نتائج الأبحاث إلى التصنيع". يفتح عملهم طريقة جديدة للتفكير في تصميم المواد، حيث لا تعمل الطاقة على تشغيل الأجهزة فحسب، بل تعيد تشكيل المواد نفسها أيضًا.