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芝加哥大學科學家發現違反熱力學的材料可能徹底改變電動汽車

文章來源：新能源網更新時間：2025-07-22 16:37:18

芝加哥大學和加州大學圣地亞哥分校的科學家發現了一組材料，它們在高溫、高壓或電流作用下會表現出令人驚奇的行為。與大多數材料不同，這些材料受熱時會收縮，受壓時會膨脹，甚至在施加適當的電荷后會恢復到原始狀態。這項研究的重點是氧-氧化還原 (OR) 材料——這類材料可以幫助電池存儲更多能量，但由于結構無序，通常會存在穩定性問題。

作為長期合作的一部分，芝加哥大學普利茲克分子工程學院Y. Shirley Meng教授實驗室的研究人員與加州大學圣地亞哥分校的訪問學者發現，亞穩態氧-氧化還原活性材料中存在負熱膨脹，這似乎違反了熱力學定律。攝影：Jason Smith

在正常狀態下，這些材料遵循通常的熱力學規則。但在所謂的“亞穩態”（一種暫時的平衡）下，它們的行為則相反。“受熱時，材料會收縮而不是膨脹，”發表在《自然》雜志上的這項研究的資深作者Shirley Meng教授說道。這與材料結構內部所謂的無序-有序轉變有關。研究團隊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實際上會收縮。這與一種名為Grüneisen關系的常見理論相悖，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。當他們以地球板塊的水平向四周擠壓這種物質時，它不僅沒有變小，反而膨脹了。“負壓縮性就像負熱膨脹，”張明浩教授解釋說。“如果你從各個方向壓縮一個物質粒子……它就會膨脹。”

他們還發現，電流可以重置材料的結構。通過調整電壓極限，他們幾乎恢復了100%的原始結構和性能。這對于電池技術，尤其是電動汽車（EV）來說，具有巨大的潛力。“當我們使用電壓時，我們會將材料恢復到原始狀態。這樣我們就恢復了電池，”張教授說道。他補充道：“你只需要進行電壓激活……你的車就會煥然一新。你的電池也會煥然一新。”

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

隨著研究的深入，該團隊希望了解如何利用氧化還原化學進一步控制這些效應并拓展實際應用。“目標之一是將這些材料從研究成果轉化為產業化，”共同第一作者鮑秋說道。他們的工作開辟了一種新的材料設計思路，能量不僅能為設備提供動力，還能重塑材料本身。

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