什麼東西在被擠壓時會膨脹，在受熱時會收縮，並且既能改變科學家對材料的基本認識，又能使舊電動汽車電池恢復到像新電池一樣的性能？這並非謎題，而是由芝加哥大學普利茲克分子工程學院（ UChicago PME）的電池研究人員與加州大學聖地牙哥分校的訪問科學家合作發現的一類非凡的新型材料。透過持續的研究合作，團隊發現了在亞穩態、氧-氧化還原活性狀態下表現出負熱膨脹特性的材料。

簡而言之，這些研究人員開發的材料似乎違背了基於熱力學的傳統預期。通常，穩定的材料對熱、壓力或電流的反應是可預測的。然而，在新發現的亞穩態中，這些反應發生了逆轉，其行為與傳統規範完全相反。

「加熱這些材料時，體積不會改變。加熱後，材料會收縮而不是膨脹，」芝加哥大學分子工程專業工程碩士（PME）、新成立的氣候與永續成長研究所能源技術計畫主任Shirley Meng說。 “我們認為我們可以通過氧化還原化學來調整這些材料的性質。這可能會帶來非常令人興奮的應用。”

他們的研究結果發表在《自然》雜誌。

「我們的目標之一是將這些材料從研究成果轉化為工業成果，從而開發出具有更高比能量的新型電池，」論文共同第一作者、來自加州大學聖地亞哥分校、寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）的訪問學者鮑秋說道。

這項發現不僅催生了許多新技術，也代表了純科學領域的進步。對孟宏偉而言，這更令人興奮。

「這改變了我們對基礎科學的理解，」孟教授說。 “我們的工作一直以芝加哥大學的模式為指導，這種模式提倡為了探究和知識本身而探究。”

透過精細調整這些材料對熱和其他形式能量的反應方式，研究人員可以創造零熱膨脹的材料。這可能會徹底改變建築等領域。

「我想說，零熱膨脹材料才是夢想，」芝加哥大學工程機械研究副教授、論文的共同通訊作者張明浩說。 “以每一棟建築為例，你肯定不希望組成不同部件的材料體積經常發生變化。”

作為一項長期研究合作的一部分，芝加哥大學普利茲克分子工程學院Y. Shirley Meng教授實驗室的研究人員與加州大學聖地亞哥分校的訪問學者發現，亞穩態氧-氧化還原活性材料存在負熱膨脹，這似乎違反了熱力學定律。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/Jason Smith

但熱量只是能量的一種形式。為了測試這些材料對機械能的反應，他們將其壓縮到千兆帕級——這個壓力水平如此之高，通常只用於討論板塊活動。他們發現了所謂的「負壓縮率」。

「負壓縮性就像負熱膨脹，」張教授說。 “如果從各個方向壓縮一個材料粒子，自然會想像它會收縮。但這種材料會膨脹。”

張教授表示，一種經過特殊設計的耐熱或耐壓材料可以實現一些先前僅存在於理論上的「瘋狂想法」。他以結構電池為例，電動飛機的電池壁兼作電池壁，有助於打造更輕、更有效率的飛機。這些新材料可以保護電池組件免受不同海拔高度溫度和壓力變化的影響，讓這項新技術的應用範圍不再局限於天空。

與熱和壓力一樣，亞穩態材料對電化學能（電壓）的反應也會逆轉。

「這不僅是一項重要的科學發現，對電池研究也具有重要意義，」張教授說。 “當我們施加電壓時，材料會恢復到原始狀態。這樣我們就恢復了電池。”

為了理解亞穩態，想像一下山頂上的一個球。球在山頂是不穩定的，會滾下來。在山腳下，球是穩定的，不會向上滾。亞穩態介於兩者之間，球靠近山頂，但位於凹陷處。這種亞穩態可能非常持久——例如，鑽石就是石墨的亞穩態。但需要能量將亞穩態材料推出“凹陷”，使其滾回穩定狀態。

“要讓材料從亞穩態回到穩定態，並不一定需要熱能，”張教授說，“任何能量都可以。”

這為重置老化的電動車電池開闢了一條道路。經過多年的行駛，一輛電動車一次充電可以行駛400英里，但之後只能行駛300或200英里就需要充電了。利用電化學驅動力將材料推向穩定狀態，可以讓汽車恢復到新車時的續航里程。

「你不必把電池送回製造商或任何供應商。你只需進行電壓啟動即可，」張先生說。 “然後，你的車就變成新車了。你的電池也變成新電池了。”

鮑哲南表示，下一步他們將繼續利用氧化還原化學來研究這些材料，並“提取關鍵點”，探索這一新基礎研究領域的邊界。

編譯自/ ScitechDaily

DOI：10.1038/s41586-025-08765-x