由芝加哥大学普利兹克分子工程学院领导的一个团队发现了一种打破常规的材料，这种材料在加热时收缩，在压力下会膨胀，这标志着基础科学的突破。

什么东西在挤压时会膨胀，在加热时会收缩，既能改变科学家对材料的基本理解，又能使旧的电动汽车电池恢复到新的性能？

这不是一个谜 —— 这是芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的电池研究人员与来自加州大学圣地亚哥分校的访问科学家合作发现的一种非凡的新材料。通过他们正在进行的研究合作，该团队发现了在亚稳态、氧氧化还原活性状态下表现出负热膨胀特性的材料。

简单地说，这些研究人员开发的材料似乎违背了基于热力学的传统期望。通常，稳定的材料对热、压力或电的反应是可预测的。然而，在新发现的亚稳态中，这些反应变得相反，行为与传统规范完全相反。

“当你加热材料时，体积没有变化。当加热时，材料会收缩而不是膨胀，”芝加哥大学PME Liew家族分子工程教授Shirley Meng说，她也是新成立的气候与可持续增长研究所能源技术倡议的主任。“我们认为，我们可以通过氧化还原化学来调节这些材料的性能。这可以带来非常令人兴奋的应用。”

他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

“目标之一是将这些材料从研究中应用到工业中，可能开发出具有更高比能的新电池，”来自宁波材料技术与工程研究所（NIMTE）的加州大学圣地亚哥分校访问学者Bao Qiu说。

除了这一发现带来的无数新技术之外，这项研究还代表了纯科学的进步。对Shirley Meng来说，这更令人兴奋。

“这改变了我们对基础科学的理解，”Shirley Meng说。“我们的工作一直以芝加哥大学的模式为指导，这种模式促进了探究和知识的发展。”

建筑、电池和“疯狂的想法”

通过微调这些材料对热量和其他形式的能量的反应方式，研究人员可以创造出零热膨胀的材料。这可能会彻底改变建筑等领域。

“我想说，零热膨胀材料是梦想，”芝加哥大学PME研究协会说。张明浩（音译）教授，本论文共同通讯作者。“以每一栋建筑为例。你不希望构成不同组件的材料经常改变体积。”

但热只是能量的一种形式。为了测试这些材料对机械能的反应，他们将其压缩到千兆帕斯卡的水平 —— 这个压力水平高到通常只有在讨论构造板块活动时才会用到。他们发现了所谓的“负压缩性”。

“负压缩性就像负热膨胀，”张教授说。“如果你从各个方向压缩一个材料粒子，你可以想象，它自然会收缩。但这种材料会膨胀。”

张教授说，一种可以抵抗高温或压力的材料可以实现一些以前理论上的“疯狂想法”。他举了一个结构电池的例子，全电动飞机的舱壁兼作电池墙，有助于制造更轻、更高效的飞机。这些新材料可以保护电池组件免受不同高度温度和压力变化的影响，使天空不再是这项新技术的极限。

让旧电动汽车焕然一新

与热和压力一样，亚稳材料对电化学能量（电压）的反应也发生了反转。

张教授说：“这不仅是一项重要的科学发现，而且非常适用于电池研究。”“当我们使用电压时，我们将材料驱动回其原始状态。我们回收了电池。”

为了理解亚稳态，想象一下山上的一个球。球在山顶上不稳定。它会滚下来。它在山脚下很稳定。它滚不起来。亚稳态在两者之间，一个靠近山顶的球，但坐落在一块草皮上。这种亚稳态可以相当持久 —— 例如，金刚石就是石墨的亚稳态形式。但是需要能量把亚稳态物质从它的“草皮”中推出来，这样它才能回滚到稳定状态。

“为了使材料从亚稳态回到稳定状态，你不必总是使用热能，”张教授说。“你可以使用任何一种能量来驱动系统。”

这为重置老化的电动汽车电池开辟了一条道路。例如，一辆充电一次能跑400英里的电动汽车，经过多年的行驶，在充电前只能行驶300或200英里。利用电化学驱动力将这些材料推回到它们的稳定状态，可以使汽车恢复到新车时的行驶里程。

“你不必把电池送回制造商或任何供应商那里。你只要做这个电压激活，”张教授说。“那么，你的车将是一辆新车。你的电池将是一块新电池。”

研究人员表示，下一步是继续使用氧化还原化学来检查材料并“提取关键点”，探索这一基础研究新领域的边界。