Científicos de la Universidad de Chicago y la Universidad de California en San Diego han descubierto un grupo de materiales que exhiben comportamientos sorprendentes cuando se exponen a altas temperaturas, altas presiones o corrientes eléctricas. A diferencia de la mayoría de los materiales, estos se encogen cuando se calientan, se expanden cuando se presionan e incluso vuelven a su estado original cuando se aplica la carga adecuada. La investigación se centra en materiales oxígeno-redox (OR), una clase de materiales que pueden ayudar a las baterías a almacenar más energía pero que a menudo sufren problemas de estabilidad debido a un desorden estructural.
Como parte de una colaboración a largo plazo, investigadores del laboratorio del profesor Y. Shirley Meng en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y académicos visitantes de la Universidad de California en San Diego, descubrieron que existe una expansión térmica negativa en materiales metaestables con actividad redox de oxígeno, lo que parece violar las leyes de la termodinámica. Fotografía: Jason Smith
En condiciones normales, estos materiales siguen las reglas habituales de la termodinámica. Pero en lo que se llama un "estado metaestable", un equilibrio temporal, se comportan en la dirección opuesta. "Cuando se calientan, los materiales se encogen en lugar de expandirse", afirma la profesora Shirley Meng, autora principal del estudio publicado en la revista Nature. Esto está relacionado con la llamada transición de desorden a orden dentro de la estructura del material. El equipo de investigación registró una tasa de expansión térmica de -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, lo que significa que el material en realidad se encoge a medida que se calienta. Esto va en contra de una teoría común llamada relación de Grüneisen, que a menudo se utiliza para explicar por qué los materiales se expanden cuando se calientan.
¿Qué pasa con el estrés? Aún más extraño. A medida que exprimieron el material en todas direcciones al nivel de las placas de la Tierra, en lugar de encogerse, se expandió. "La compresibilidad negativa es como la expansión térmica negativa", explica el profesor Zhang Minghao. "Si comprimes una partícula de materia desde todas direcciones... se expandirá".
También descubrieron que la corriente eléctrica puede restablecer la estructura del material. Al ajustar los límites de voltaje, restauraron casi el 100% de la estructura y el rendimiento originales. Esto encierra un enorme potencial para la tecnología de baterías, especialmente para los vehículos eléctricos (EV). "Cuando aplicamos voltaje, devolvemos el material a su estado original. De esta manera restauramos la batería", dijo el profesor Zhang. Añadió: "Simplemente activa el voltaje... y tu auto lucirá como nuevo. Tu batería lucirá como nueva".
Esta investigación puede conducir al desarrollo de materiales con expansión térmica cero para su uso en todo, desde edificios hasta aviones. El profesor Zhang señaló: "Tomemos cada edificio como ejemplo; definitivamente no queremos que el volumen de materiales que componen las diferentes partes cambie con frecuencia".
A medida que avanza su investigación, el equipo espera comprender cómo se puede utilizar la química redox para controlar aún más estos efectos y ampliar las aplicaciones prácticas. "Uno de los objetivos es traducir estos materiales desde los resultados de la investigación hasta la industrialización", dijo el coautor Qiu Bao. Su trabajo abre una nueva forma de pensar sobre el diseño de materiales, donde la energía no sólo alimenta los dispositivos sino que también remodela los propios materiales.