芝加哥大学和加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现了亚稳态材料，这些材料表现出负热膨胀和可压缩性，违背了传统的热力学行为。这些材料可以通过将旧电动汽车电池恢复到像新电池一样的性能并实现结构电池等未来应用来彻底改变电池技术。

芝加哥大学普利兹克分校分子工程学院领导的一个团队发现了打破常规的材料，这些材料在加热时会收缩，在压力下会膨胀，这标志着基础科学的突破。

什么在压碎时膨胀，在加热时收缩，并且既可以改变科学家对材料的基本理解，又可以将旧电动汽车电池恢复到像新电池一样的性能？

这不是一个谜，而是芝加哥大学普利兹克分子工程学院 （UChicago PME） 的电池研究人员与加州大学圣地亚哥分校的来访科学家合作发现的一类非凡的新材料。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。

简单来说，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，这些反应变得颠倒，行为与常规规范完全相反。

“当你加热材料时，体积没有变化。加热时，材料会收缩而不是膨胀，“芝加哥大学 PME Liew Family 分子工程教授 Shirley Meng 说，她还担任新成立的气候与可持续增长研究所能源技术倡议的教务主任。“我们认为我们可以通过氧化还原化学来调整这些材料的特性。这可能会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领域引入工业领域，可能开发具有更高比能量的新型电池，”共同第一作者、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 Meng 来说，这更令人兴奋。

“这改变了我们对基础科学的理解，”孟说。“我们的工作一直以芝加哥大学的模式为指导，这种模式本身就促进了探究和知识。”

建筑物、电池和“疯狂的想法”

通过微调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，零热膨胀材料是梦想，”该研究的共同通讯作者、芝加哥大学 PME 研究副教授 Minghao Zhang 说。“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。

作为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和加州大学圣地亚哥分校的访问学者在亚稳态氧氧化还原活性材料中发现了负热膨胀——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