Các nhà khoa học vừa phát hiện ra một vật liệu kỳ lạ phá vỡ các quy tắc vật lý
Bởi Đại học Chicago
Các nhà nghiên cứu từ UChicago và UC San Diego đã phát hiện ra các vật liệu siêu bền có khả năng giãn nở nhiệt và nén âm, thách thức hành vi nhiệt động lực học thông thường. Những vật liệu này có thể cách mạng hóa công nghệ pin bằng cách khôi phục hiệu suất của pin EV cũ như mới và cho phép các ứng dụng tương lai như pin cấu trúc. (Ý tưởng của nghệ sĩ.) Tín dụng: SciTechDaily.com
Một nhóm do Kỹ thuật phân tử Pritzker của UChicago dẫn đầu đã phát hiện ra các vật liệu thách thức quy ước, co lại khi bị nung nóng và giãn nở dưới áp suất, đánh dấu một bước đột phá trong khoa học cơ bản.
Cái gì nở ra khi bị nghiền nát, co lại khi bị nung nóng và có thể vừa biến đổi hiểu biết cơ bản của các nhà khoa học về vật liệu vừa khôi phục hiệu suất của pin EV cũ như mới?
Đây không phải là một câu đố - mà là một lớp vật liệu mới đáng chú ý được các nhà nghiên cứu pin tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của Đại học Chicago (UChicago PME) phát hiện ra với sự hợp tác của các nhà khoa học đến từ Đại học California, San Diego. Thông qua quan hệ đối tác nghiên cứu đang diễn ra, nhóm đã phát hiện ra các vật liệu thể hiện các đặc tính giãn nở nhiệt âm ở trạng thái hoạt động oxy hóa khử bán bền.
Nói một cách đơn giản hơn, các nhà nghiên cứu này đã phát triển các vật liệu dường như thách thức các kỳ vọng truyền thống dựa trên nhiệt động lực học. Thông thường, các vật liệu ổn định phản ứng theo dự đoán với nhiệt, áp suất hoặc điện. Tuy nhiên, ở các trạng thái bán bền mới được xác định, các phản ứng này trở nên đảo ngược, hoạt động hoàn toàn ngược lại với các chuẩn mực thông thường.
"Khi bạn làm nóng vật liệu, không có sự thay đổi thể tích. Khi được làm nóng, vật liệu co lại thay vì giãn nở", Shirley Meng, Giáo sư Gia đình Liew của UChicago PME về Kỹ thuật Phân tử, đồng thời là giám đốc khoa Sáng kiến Công nghệ Năng lượng của Viện Khí hậu và Tăng trưởng Bền vững mới thành lập, cho biết. “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể điều chỉnh các đặc tính của vật liệu này thông qua phản ứng hóa học oxy hóa khử. Điều đó có thể dẫn đến những ứng dụng rất thú vị”.
Kết quả của họ đã được công bố trên tạp chí Nature.
“Một trong những mục tiêu là đưa những vật liệu này từ nghiên cứu vào công nghiệp, có thể phát triển các loại pin mới có năng lượng riêng cao hơn”, đồng tác giả Bao Qiu, một học giả thỉnh giảng tại UC San Diego từ Viện Công nghệ & Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba (NIMTE) cho biết.
Bên cạnh vô số công nghệ mới được tạo ra bởi khám phá này, nghiên cứu này còn đại diện cho một bước tiến trong khoa học thuần túy. Đối với Meng, điều đó thậm chí còn thú vị hơn.
“Điều này thay đổi hiểu biết của chúng tôi về khoa học cơ bản”, Meng cho biết. “Công việc của chúng tôi được hướng dẫn bởi mô hình của UChicago, một mô hình thúc đẩy quá trình tìm tòi và kiến thức vì lợi ích của chính nó”.
Các tòa nhà, pin và “ý tưởng hoang dã”
Bằng cách tinh chỉnh cách các vật liệu này phản ứng với nhiệt và các dạng năng lượng khác, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các vật liệu không giãn nở vì nhiệt. Điều này có thể cách mạng hóa các lĩnh vực như xây dựng.
“Tôi cho rằng vật liệu giãn nở nhiệt bằng không là giấc mơ”, Giáo sư Minghao Zhang, Hiệp hội nghiên cứu PME của UChicago, đồng tác giả liên lạc của công trình này cho biết. “Lấy ví dụ về từng tòa nhà. Bạn không muốn các vật liệu tạo nên các thành phần khác nhau thay đổi thể tích thường xuyên như vậy”.
Là một phần của sự hợp tác nghiên cứu dài hạn, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Y. Shirley Meng tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của UChicago và các học giả thỉnh giảng từ UC San Diego đã phát hiện ra sự giãn nở nhiệt âm trong các vật liệu hoạt động oxy-khử oxy hóa bán bền—dường như vi phạm các định luật nhiệt động lực học. Nguồn: Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của UChicago/Jason Smith
Nhưng nhiệt chỉ là một dạng năng lượng. Để kiểm tra cách các vật liệu phản ứng với năng lượng cơ học, họ nén nó ở mức gigapascal – một mức áp suất cao đến mức thường được dành riêng để thảo luận về hoạt động của mảng kiến tạo. Họ đã tìm thấy thứ mà họ gọi là “khả năng nén âm”.
“Khả năng nén âm cũng giống như sự giãn nở nhiệt âm”, Zhang cho biết. “Nếu bạn nén một hạt vật liệu theo mọi hướng, bạn sẽ tưởng tượng, tự nhiên, nó sẽ co lại. Nhưng vật liệu này, nó sẽ giãn nở”.
Một vật liệu được điều chỉnh để chống lại nhiệt hoặc áp suất có thể cho phép một số “ý tưởng điên rồ” trước đây chỉ là lý thuyết, Zhang cho biết. Ông đưa ra ví dụ về pin cấu trúc, trong đó thành máy bay EV đóng vai trò như thành pin, giúp tạo ra máy bay nhẹ hơn, hiệu quả hơn. Những vật liệu mới này có thể giữ cho các thành phần pin an toàn trước những thay đổi về nhiệt độ và áp suất ở các độ cao khác nhau, khiến bầu trời không còn là giới hạn cho công nghệ mới này nữa.
Làm cho xe điện cũ như mới
Cũng giống như nhiệt và áp suất, phản ứng của vật liệu bán bền với năng lượng điện hóa – điện áp – cũng bị đảo ngược.
“Điều này không chỉ quan trọng như một khám phá khoa học, mà còn rất hữu ích cho nghiên cứu pin”, Zhang cho biết. “Khi chúng tôi sử dụng điện áp, chúng tôi đưa vật liệu trở lại trạng thái nguyên sơ của nó. Chúng tôi phục hồi pin
Để hiểu về tính siêu ổn định, hãy hình dung một quả bóng trên một ngọn đồi. Quả bóng không ổn định ở đỉnh đồi. Nó sẽ lăn xuống. Nó ổn định ở chân đồi. Nó sẽ không lăn lên. Siêu ổn định nằm ở giữa, một quả bóng gần đỉnh đồi, nhưng nằm trong một hố lõm. Trạng thái siêu ổn định đó có thể khá bền – ví dụ, kim cương là một dạng siêu ổn định của than chì. Nhưng cần có năng lượng để đẩy vật liệu siêu ổn định ra khỏi “hố lõm” của nó để nó có thể lăn trở lại trạng thái ổn định.
“Để đưa vật liệu trở lại trạng thái siêu ổn định sang trạng thái ổn định, bạn không phải lúc nào cũng phải sử dụng năng lượng nhiệt”, Zhang nói. “Bạn có thể sử dụng bất kỳ loại năng lượng nào để đưa hệ thống trở lại”.
Điều này mở ra con đường hướng đến việc thiết lập lại pin EV cũ. Sau nhiều năm trên đường, một chiếc xe điện từng chạy được, ví dụ, 400 dặm cho một lần sạc, sẽ chỉ chạy được 300 hoặc 200 dặm trước khi cần cắm điện. Sử dụng lực điện hóa để đẩy vật liệu vào trạng thái ổn định của chúng sẽ đưa chiếc xe trở lại quãng đường mà nó đã thấy khi còn mới.
"Bạn không cần phải gửi pin trở lại nhà sản xuất hoặc bất kỳ nhà cung cấp nào. Bạn chỉ cần kích hoạt điện áp này", Zhang nói. "Sau đó, chiếc xe của bạn sẽ trở thành một chiếc xe mới. Pin của bạn sẽ trở thành một cục pin mới".
Bao cho biết các bước tiếp theo là tiếp tục sử dụng hóa học oxy hóa khử để kiểm tra các vật liệu và "rút ra những điểm chính", khám phá ranh giới của lĩnh vực nghiên cứu cơ bản mới này.
Tài liệu tham khảo: “Sự giãn nở nhiệt âm và điện hóa oxy-oxy hóa khử” của Bao Qiu, Yuhuan Zhou, Haoyan Liang, Minghao Zhang, Kexin Gu, Tao Zeng, Zhou Zhou, Wen Wen, Ping Miao, Lunhua He, Yinguo Xiao, Sven Burke, Zhaoping Liu và Ying Shirley Meng, ngày 16 tháng 4 năm 2025, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-025-08765-x
