Wetenschappers van de Universiteit van Chicago en de Universiteit van Californië, San Diego hebben een groep materialen ontdekt die verrassend gedrag vertonen bij blootstelling aan hoge temperaturen, hoge drukken of elektrische stromen. In tegenstelling tot de meeste materialen krimpen deze bij verhitting, zetten ze uit als ze worden ingedrukt en keren ze zelfs terug naar hun oorspronkelijke staat wanneer de juiste lading wordt aangebracht. Het onderzoek richt zich op zuurstof-redox (OR)-materialen: een klasse materialen die batterijen kan helpen meer energie op te slaan, maar die vaak te kampen hebben met stabiliteitsproblemen als gevolg van structurele wanorde.
Als onderdeel van een langdurige samenwerking ontdekten onderzoekers in het laboratorium van professor Y. Shirley Meng van de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago en gastonderzoekers aan de Universiteit van Californië, San Diego, dat er sprake is van negatieve thermische uitzetting in metastabiele zuurstof-redox-actieve materialen, wat de wetten van de thermodynamica lijkt te schenden. Fotografie: Jason Smith
Onder normale omstandigheden volgen deze materialen de gebruikelijke regels van de thermodynamica. Maar in wat een ‘metastabiele toestand’ wordt genoemd, een tijdelijk evenwicht, gedragen ze zich in de tegenovergestelde richting. "Bij verhitting krimpen materialen in plaats van uit te zetten", zegt professor Shirley Meng, senior auteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Dit houdt verband met de zogenaamde overgang van wanorde naar orde binnen de structuur van het materiaal. Het onderzoeksteam registreerde een thermische uitzettingssnelheid van -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, wat betekent dat het materiaal daadwerkelijk krimpt naarmate het warmer wordt. Dit druist in tegen een algemene theorie genaamd de Grüneisen-relatie, die vaak wordt gebruikt om uit te leggen waarom materialen uitzetten bij verhitting.
Hoe zit het met stress? Nog vreemder. Terwijl ze het materiaal ter hoogte van de aardplaten in alle richtingen persten, zette het uit in plaats van te krimpen. "Negatieve samendrukbaarheid is als negatieve thermische uitzetting", legt professor Zhang Minghao uit. "Als je een deeltje materie vanuit alle richtingen samendrukt... zal het uitzetten."
Ze ontdekten ook dat elektrische stroom de structuur van het materiaal kan resetten. Door de spanningslimieten aan te passen, herstelden ze bijna 100% van de oorspronkelijke structuur en prestaties. Dit biedt een enorm potentieel voor batterijtechnologie, vooral voor elektrische voertuigen (EV’s). "Als we spanning aanleggen, herstellen we het materiaal in de oorspronkelijke staat. Op deze manier herstellen we de batterij", zegt professor Zhang. Hij voegde eraan toe: "Je hoeft alleen maar de spanning te activeren... en je auto zal er als nieuw uitzien. Je batterij zal er als nieuw uitzien."
Dit onderzoek kan leiden tot de ontwikkeling van materialen zonder thermische uitzetting voor gebruik in alles, van gebouwen tot vliegtuigen. Professor Zhang legde uit: "Neem elk gebouw als voorbeeld, je wilt absoluut niet dat de hoeveelheid materialen waaruit verschillende onderdelen bestaan regelmatig verandert."
Naarmate hun onderzoek vordert, hoopt het team te begrijpen hoe redoxchemie kan worden gebruikt om deze effecten verder onder controle te houden en praktische toepassingen uit te breiden. "Een van de doelen is om deze materialen te vertalen van onderzoeksresultaten naar industrialisatie", zegt co-eerste auteur Qiu Bao. Hun werk opent een nieuwe manier van denken over materiaalontwerp, waarbij energie niet alleen apparaten aandrijft, maar ook de materialen zelf hervormt.