挤压时会膨胀，受热时会收缩：科学家发现看似违反物理法则的亚稳态材料

什么东西在被挤压时会膨胀，在受热时会收缩，并且既能改变科学家对材料的基本认识，又能使旧电动汽车电池恢复到像新电池一样的性能？这并非谜题，而是由芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的电池研究人员与加州大学圣地亚哥分校的访问科学家合作发现的一类非凡的新型材料。通过持续的研究合作，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。

简而言之，这些研究人员开发的材料似乎违背了基于热力学的传统预期。通常，稳定的材料对热、压力或电流的反应是可预测的。然而，在新发现的亚稳态中，这些反应发生了逆转，其行为与传统规范完全相反。

“加热这些材料时，体积不会发生变化。加热后，材料会收缩而不是膨胀，”芝加哥大学分子工程专业工程硕士（PME）、新成立的气候与可持续增长研究所能源技术计划主任Shirley Meng说道。“我们认为我们可以通过氧化还原化学来调整这些材料的性质。这可能会带来非常激动人心的应用。”

他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

“我们的目标之一是将这些材料从研究成果转化为工业成果，从而开发出具有更高比能量的新型电池，”论文共同第一作者、来自加州大学圣地亚哥分校、宁波材料技术与工程研究所（NIMTE）的访问学者鲍秋说道。

这项发现不仅催生了众多新技术，更代表了纯科学领域的进步。对孟宏伟而言，这更令人兴奋。

“这改变了我们对基础科学的理解，”孟教授说。“我们的工作一直以芝加哥大学的模式为指导，这种模式提倡为了探究和知识本身而探究。”

通过精细调整这些材料对热和其他形式能量的反应方式，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，零热膨胀材料才是梦想，”芝加哥大学工程机械研究副教授、该论文的共同通讯作者张明浩说道。“以每一栋建筑为例，你肯定不希望组成不同部件的材料体积经常发生变化。”

作为一项长期研究合作的一部分，芝加哥大学普利兹克分子工程学院Y. Shirley Meng教授实验室的研究人员与加州大学圣地亚哥分校的访问学者发现，亚稳态氧-氧化还原活性材料存在负热膨胀，这似乎违反了热力学定律。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/Jason Smith

但热量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级——这一压力水平如此之高，通常只用于讨论板块活动。他们发现了所谓的“负压缩率”。

“负压缩性就像负热膨胀，”张教授说。“如果从各个方向压缩一个材料粒子，自然会想象它会收缩。但这种材料会膨胀。”

张教授表示，一种经过特殊设计的耐热或耐压材料可以实现一些此前仅存在于理论上的“疯狂想法”。他以结构电池为例，电动飞机的电池壁兼作电池壁，有助于打造更轻、更高效的飞机。这些新材料可以保护电池组件免受不同海拔高度温度和压力变化的影响，让这项新技术的应用范围不再局限于天空。

与热量和压力一样，亚稳态材料对电化学能（电压）的反应也会发生逆转。

“这不仅是一项重要的科学发现，而且对电池研究也具有重要意义，”张教授说道。“当我们施加电压时，材料会恢复到原始状态。这样我们就恢复了电池。”

为了理解亚稳态，想象一下山顶上的一个球。球在山顶是不稳定的，会滚下来。在山脚下，球是稳定的，不会向上滚。亚稳态介于两者之间，球靠近山顶，但位于凹陷处。这种亚稳态可能非常持久——例如，钻石就是石墨的亚稳态。但需要能量将亚稳态材料推出“凹陷”，使其滚回稳定状态。

“要让材料从亚稳态回到稳定态，并不一定需要热能，”张教授说，“任何能量都可以。”

这为重置老化的电动汽车电池开辟了一条道路。经过多年的行驶，一辆电动汽车一次充电可以行驶400英里，但之后只能行驶300或200英里就需要充电了。利用电化学驱动力将材料推向稳定状态，可以让汽车恢复到新车时的续航里程。

“你不必把电池送回制造商或任何供应商。你只需进行电压激活即可，”张先生说。“然后，你的车就变成新车了。你的电池也变成新电池了。”

鲍哲南表示，下一步他们将继续利用氧化还原化学来研究这些材料，并“提取出关键点”，探索这一新基础研究领域的边界。

编译自/ScitechDaily

DOI：10.1038/s41586-025-08765-x