シカゴ大学とカリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者は、高温、高圧、または電流にさらされると驚くべき挙動を示す一群の材料を発見しました。ほとんどの材料とは異なり、これらは加熱すると収縮し、加圧すると膨張し、さらに適切な電荷を加えると元の状態に戻ります。この研究は、酸素酸化還元 (OR) 材料に焦点を当てています。OR 材料は、バッテリーがより多くのエネルギーを蓄えるのに役立ちますが、構造の乱れによる安定性の問題が発生することが多い材料です。
長期にわたる共同研究の一環として、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の Y. シャーリー・メン教授の研究室の研究者とカリフォルニア大学サンディエゴ校の客員研究員は、準安定酸素酸化還元活性物質には負の熱膨張が存在し、これは熱力学の法則に違反していると思われることを発見しました。写真: ジェイソン・スミス
通常の条件下では、これらの材料は通常の熱力学の規則に従います。しかし、いわゆる「準安定状態」、つまり一時的な平衡状態では、それらは逆の方向に動作します。 「加熱すると、材料は膨張するのではなく収縮します」と、ネイチャー誌に掲載された研究の主任著者であるシャーリー・メン教授は述べた。これは、材料の構造内のいわゆる無秩序から秩序への転移に関連しています。研究チームは、-14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹ の熱膨張率を記録しました。これは、材料が加熱すると実際に収縮することを意味します。これは、材料が加熱されると膨張する理由を説明するためによく使用されるグリューナイゼン関係と呼ばれる一般的な理論に反します。
ストレスについてはどうでしょうか？さらに奇妙です。彼らが地球のプレートのレベルで材料を全方向に圧縮すると、材料は収縮する代わりに膨張しました。 「負の圧縮率は負の熱膨張のようなものです」と Zhang Minghao 教授は説明します。 「物質の粒子をあらゆる方向から圧縮すると...膨張します。」
彼らはまた、電流が材料の構造をリセットできることも発見した。電圧制限を調整することで、元の構造と性能をほぼ 100% 復元しました。これは、バッテリー技術、特に電気自動車（EV）にとって大きな可能性を秘めています。 「電圧を加えると、材料は元の状態に戻ります。このようにして、バッテリーを復元します」とZhang教授は述べた。さらに、「電圧を作動させるだけで、車は新品のように見えます。バッテリーも新品のように見えます。」と付け加えました。
この研究は、建物から航空機に至るまであらゆるものに使用できる、熱膨張がゼロの材料の開発につながる可能性があります。 Zhang 教授は、「あらゆる建物を例に挙げると、さまざまな部分を構成する材料の量が頻繁に変わることは絶対に望ましくないのです。」と指摘しました。
研究が進むにつれ、チームは酸化還元化学をどのように利用してこれらの影響をさらに制御し、実用化を拡大できるかを理解したいと考えています。 「目標の1つは、これらの資料を研究結果から産業化につなげることです」と共同筆頭著者のQiu Bao氏は述べた。彼らの研究は、エネルギーがデバイスに電力を供給するだけでなく、材料自体を再形成するという、材料設計に関する新しい考え方を切り開きます。