Cientistas da Universidade de Chicago e da Universidade da Califórnia, em San Diego, descobriram um grupo de materiais que apresentam comportamentos surpreendentes quando expostos a altas temperaturas, altas pressões ou correntes elétricas. Ao contrário da maioria dos materiais, estes encolhem quando aquecidos, expandem quando pressionados e até retornam ao seu estado original quando a carga apropriada é aplicada. A pesquisa se concentra em materiais redox de oxigênio (OR) – uma classe de materiais que podem ajudar as baterias a armazenar mais energia, mas muitas vezes sofrem de problemas de estabilidade devido a distúrbios estruturais.
Como parte de uma colaboração de longo prazo, pesquisadores do laboratório do professor Y. Shirley Meng na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e acadêmicos visitantes da Universidade da Califórnia, em San Diego, descobriram que há expansão térmica negativa em materiais ativos redox-oxigênio metaestáveis, o que parece violar as leis da termodinâmica. Fotografia: Jason Smith
Em condições normais, estes materiais seguem as regras usuais da termodinâmica. Mas no que é chamado de “estado metaestável”, um equilíbrio temporário, eles se comportam na direção oposta. “Quando aquecidos, os materiais encolhem em vez de expandir”, disse a professora Shirley Meng, autora sênior do estudo publicado na revista Nature. Isto está relacionado com a chamada transição de desordem para ordem dentro da estrutura do material. A equipe de pesquisa registrou uma taxa de expansão térmica de -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, o que significa que o material realmente encolhe à medida que aquece. Isto vai contra uma teoria comum chamada relação de Grüneisen, que é frequentemente usada para explicar por que os materiais se expandem quando aquecidos.
E quanto ao estresse? Ainda mais estranho. À medida que comprimiram o material em todas as direções ao nível das placas da Terra, em vez de encolher, ele expandiu-se. “A compressibilidade negativa é como a expansão térmica negativa”, explica o professor Zhang Minghao. "Se você comprimir uma partícula de matéria em todas as direções... ela se expandirá."
Eles também descobriram que a corrente elétrica pode redefinir a estrutura do material. Ao ajustar os limites de tensão, eles restauraram quase 100% da estrutura e do desempenho originais. Isto representa um enorme potencial para a tecnologia de baterias, especialmente para veículos elétricos (EVs). “Quando aplicamos tensão, restauramos o material ao seu estado original. Desta forma, restauramos a bateria”, disse o professor Zhang. Ele acrescentou: "Basta ativar a voltagem... e seu carro parecerá novo. Sua bateria parecerá nova."
Esta pesquisa pode levar ao desenvolvimento de materiais com expansão térmica zero para uso em tudo, desde edifícios até aeronaves. O professor Zhang destacou: "Tome cada edifício como exemplo, você definitivamente não quer que o volume de materiais que compõem as diferentes partes mude com frequência."
À medida que a investigação avança, a equipa espera compreender como a química redox pode ser usada para controlar ainda mais estes efeitos e expandir as aplicações práticas. “Um dos objetivos é traduzir esses materiais dos resultados da pesquisa para a industrialização”, disse o co-autor Qiu Bao. O seu trabalho abre uma nova forma de pensar sobre o design de materiais, onde a energia não só alimenta os dispositivos, mas também remodela os próprios materiais.