Удивительное открытие: создан материал, идущий вразрез с законами физики

На фото: Рон Лах, Pexels

Ученые из Чикагского и Калифорнийского университетов в Сан-Диего совершили необычное открытие: они обнаружили группу материалов, поведение которых ставит в тупик. При нагревании, сжатии или под воздействием электричества они реагируют совершенно непредсказуемо: сжимаются при нагревании, расширяются при сжатии и даже способны возвращаться в исходное состояние под воздействием электрического заряда.

Эти материалы относятся к классу кислородно-восстановительных (OR) материалов. Они перспективны для создания более емких аккумуляторов, однако обычно нестабильны из-за хаотичной структуры.

В обычном состоянии эти материалы подчиняются известным законам термодинамики. Но в так называемом "метастабильном" состоянии, своего рода кратковременном равновесии, их поведение меняется на противоположное.

"При нагревании материал сжимается, а не расширяется," – объясняет профессор Ширли Менг, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature.

Это связано с переходом от хаотичного к упорядоченному состоянию внутри структуры материала. Ученые зафиксировали отрицательный коэффициент теплового расширения, равный −14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹. Это означает, что при нагревании материал сжимается, что противоречит общепринятой теории, известной как соотношение Грюнайзена, объясняющей расширение материалов при нагревании.

А что происходит под давлением?

Здесь всё ещё более странно. Под воздействием всестороннего сжатия, сравнимого с давлением в тектонических плитах Земли, материал не сжимается, а расширяется.

"Отрицательная сжимаемость – это зеркальное отражение отрицательного теплового расширения," – поясняет профессор Минхао Чжан. "Если сжимать частицу материала со всех сторон, она будет расширяться".

Кроме того, ученые обнаружили, что электричество способно восстанавливать структуру материала. Точно регулируя напряжение, они смогли почти на 100% восстановить исходную структуру и характеристики материала. Это открывает огромные перспективы для аккумуляторных технологий, особенно для электромобилей.

"Применяя напряжение, мы возвращаем материал в первоначальное состояние. Мы как бы "оживляем" аккумулятор," – говорит Чжан. "Представьте, что после такой "электротерапии" ваш автомобиль снова как новый, а аккумулятор работает как только что купленный!"

Где это можно применить?

Это открытие может привести к созданию материалов с нулевым тепловым расширением, которые найдут применение в самых разных областях – от строительства до авиации.

"Возьмем, к примеру, любое здание," – отмечает Чжан. "Нам ведь не нужно, чтобы материалы, из которых оно состоит, постоянно меняли свой объем".

В дальнейшем команда исследователей планирует изучить, как окислительно-восстановительные реакции могут дополнительно контролировать эти эффекты и расширить возможности практического применения новых материалов.

"Одна из наших целей – перенести эти разработки из лабораторий в промышленность," – говорит соавтор исследования Бао Цю.

Эта работа открывает совершенно новый подход к созданию материалов, где энергия используется не только для питания устройств, но и для изменения самих строительных блоков материи.

Мнение редакции MSReview: Открытие материалов, нарушающих законы термодинамики, открывает невероятные перспективы для развития аккумуляторных технологий и создания материалов с уникальными свойствами. Если удастся наладить их промышленное производство, это может коренным образом изменить многие отрасли.

Эта статья была сгенерирована с некоторой помощью ИИ и отредактирована редактором. В соответствии со Статьей 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется для целей новостного репортажа.