Prkoseći konvencionalnim principima termodinamike, ovaj materijal otvara nove granice, kako u primenjenoj, tako i teorijskoj nauci.
Naučnici su otkrili revolucionarni materijal koji se širi kada se zgnječi, skuplja kada se zagreje, i ne samo da može da oživi stare EV baterije, već i da preoblikuje osnovno razumevanje same materije.
O otkriću koje se čini da dovodi u pitanje zakone termodinamike, istraživači s Pritzker škole za molekularni inženjering (PME) Univerziteta u Čikagu i Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu, primetili su negativnu toplotnu ekspanziju u metastabilnim kiseonik-redoks aktivnim materijalima.
Ono što je iznenađujuće je da, dok se materijal ponaša normalno pod uticajem toplote, pritiska i električne energije u svom stabilnom stanju, tim je otkrio da su u novootkrivenom metastabilnom stanju njegove reakcije potpuno obrnute.
„Kada zagrejete ove materijale, nema promene zapremine“, rekla je dr Širli Meng, profesorka molekularnog inženjeringa na Univerzitetu u Čikagu i jedna od autora studije. „Kada se zagreju, ovi materijali se skupljaju umesto da se šire.“
Meng veruje da bi svojstva materijala mogla biti precizno podešena kroz redoks hemiju, otvarajući vrata budućim tehnološkim primenama. „To može dovesti do veoma uzbudljivih primena“, dodala je ona.
Potencijalne primene
Meng tvrdi da najuzbudljiviji aspekt otkrića nije samo njegov potencijal za otključavanje novih tehnologija, već i fundamentalni skok koji on predstavlja u čistoj nauci.
„Ovo menja naše razumevanje fundamentalne nauke“, rekla je Meng, napominjući da rad tima prati model Univerziteta u Čikagu, koji je u potrazi za znanjem radi njega samog.
Međutim, Bao Ćiu, gostujući naučnik na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, s kineskog Ningbo instituta za tehnologiju i inženjering materijala (NIMTE) i prvi koautor studije, već skreće pažnju na primene u stvarnom svetu.
„Jedan od ciljeva je tranzicija ovih materijala iz istraživačke sfere u industriju, odnosno razvoj novih baterija s većom specifičnom energijom“, rekao je Ćiu u saopštenju za javnost.
Pažljivim prilagođavanjem načina na koji ovi materijali reaguju na toplotu i energiju, stručnjaci veruju da bi mogli da razviju supstance s nultom toplotnom ekspanzijom, razvoj koji bi mogao imati velike implikacije na konstrukciju i šire.
„Materijali s nultom toplotnom ekspanzijom su u domenu snova, rekao bih“, izjavio je dr Minghao Ženg, vanredni profesor i ko-korespondent studije. „Uzmite bilo koju zgradu kao primer. Ne želite da materijali koji čine različite komponente tako često menjaju zapreminu.“
Međutim, vrelina je bila samo početak. Tim je takođe nastavio da istražuje kako materijal reaguje na mehaničku energiju, podvrgavajući ga ekstremnom pritisku na nivou gigapaskala – opsegu koji je tipično povezan s aktivnošću tektonskih ploča. Na njihovo iznenađenje, primetili su ono što opisuju kao „negativnu kompresibilnost“.
„Negativna kompresibilnost je isto kao negativna toplotna ekspanzija“, naglasio je Žang. „Ako sabijete česticu nekog materijala u svim pravcima, prirodno je da ćete pomisliti da će se skupiti. Međutim, ovaj materijal će se proširiti.“
Vraćanje starih električnih vozila u život
Prema Žangu, materijal sposoban da se odupre toploti ili pritisku izaziva smele ideje poput kreiranja strukturnih baterija, gde zidovi električnog aviona igraju ulogu baterija, čineći avion lakšim i efikasnijim. Ovi novi materijali bi mogli da zaštite komponente baterija od ekstremnih promena temperature i pritiska na velikim visinama, otvarajući nove mogućnosti za naprednu vazduhoplovnu tehnologiju.
U međuvremenu, odgovor ovog materijala na napon je na sličan način obrtut, odražavajući njegovo neobično ponašanje pod uticajem toplote i pritiska. „Ovo je važno ne samo kao naučno otkriće, već je veoma primenljivo kada je o istraživanju u oblasti baterija reč“, primetio je Žang. „Kada koristimo napon, vraćamo materijal u prvobitno stanje. Oporavljamo bateriju.“
Da bi objasnio metastabilnost, Žang opisuje jednostavan primer lopte koja počiva na brdu. Na vrhu je nestabilna i kotrlja se, dok je na dnu stabilna i ostaje na mestu. Metastabilno stanje je poput lopte koja leži u malom uronu blizu vrha, jer izgleda stabilno, s tim što mali pritisak može da je pokrene. Jedan od najpoznatijih metastabilnih materijala je dijamant, metastabilni oblik grafita.
„Da biste vratili materijala iz metastabilnog stanja u stabilno stanje, ne morate uvek da koristite toplotnu energiju“, rekao je Žang. „Možete koristiti bilo koju vrstu energije da vratite sistem.“
Ta karakteristika, prema ovom naučniku, otvara vrata za obnavljanje starih EV baterija. Vremenom, električnom vozilu koje je nekada raspolagalo autonomijom od preko 600 kilometara, smanjuje se domet, koji može pasti ispod 500, pa čak i ispod 400 kilometara. Međutim, korišćenjem elektrohemijske energije za vraćanje materijala baterije u njihova stabilna stanja, istraživači veruju da bi možda bilo moguće povratiti prvobitni domet.
„Ne morate da šaljete bateriju nazad proizvođaču ili prodavcu. Samo uradite ovu aktivaciju napona“, zaključio je Žang. Zapravo, vaš automobil će biti nov automobil, a vaša baterija biće nova baterija.“
Tim se nada da će nastaviti da koristi redoks hemiju kako bi detaljno proučavao materijale i identifikovao ključne mehanizme u igri, pomerajući granice novog polja u oblasti fundamentalnih istraživanja.
