Találtak egy anyagot, ami ellentmond a fizika törvényeinek

Vannak olyan különleges anyagok, amelyek viselkedése első pillantásra ellentmond a fizika legalapvetőbb törvényeinek: összenyomás hatására kitágulnak, melegítésre pedig összezsugorodnak. A Chicagói Egyetem Pritzker Molekuláris Mérnöki Kara és a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem kutatóinak felfedezése olyan anyagcsoportra vonatkozik, amely dacol a termodinamika hagyományos szabályaival – ráadásul ezek az anyagok akár arra is képesek lehetnek, hogy a régi elektromosautó-akkumulátorok teljesítményét visszaállítsák eredeti állapotukba. Forradalom jöhet az elektromos autózásban?

Normál, stabil állapotukban ezek az anyagok ugyanúgy viselkednek, mint bármely más anyag: a hő, a nyomás vagy az elektromos feszültség hatására kiszámítható módon változtatják alakjukat vagy térfogatukat. A kutatók azonban felfedeztek egy különleges, úgynevezett „metastabil” állapotot, amelyben ezek az anyagok teljesen szokatlanul viselkednek: melegítés hatására nem tágulnak, hanem összezsugorodnak, nyomás hatására pedig nem zsugorodnak, hanem kitágulnak. „Amikor felmelegítjük ezeket az anyagokat, nemhogy nem nő a térfogatuk, hanem épp ellenkezőleg, összehúzódnak” – magyarázta Shirley Meng, a Chicagói Egyetem professzora, a kutatás vezető szerzője. Hozzátette: ha sikerül finomhangolni ezeknek az anyagoknak a tulajdonságait, az izgalmas felhasználási lehetőségek előtt nyithat utat és forradalmasíthatja az elektromos autókat.

Az eredmények a Nature tudományos folyóiratban jelentek meg.

Az egyik legfontosabb célunk, hogy a laboratóriumi felfedezéseket ipari szinten is hasznosítható technológiává alakítsuk, például olyan új akkumulátorok kifejlesztésével, amelyek a jelenlegieknél nagyobb fajlagos energiasűrűséget biztosítanak”

– mondta Bao Qiu, a tanulmány egyik vezető szerzője, aki a Kínai Tudományos Akadémia ningbói Anyagtudományi és Mérnöki Intézetének kutatójaként dolgozik a San Diegó-i Kaliforniai Egyetemen.
„Örök életű” elektromos autók és korábban elképzelhetetlen ötletek

Ha sikerül pontosan szabályozni, hogyan reagálnak ezek az anyagok a hőre és más energiaformákra, akkor olyan zéró hőtágulású anyagok válhatnak elérhetővé, amelyek gyökeresen átalakíthatják például az építőipart.

A zéró hőtágulás a mérnöki tervezés Szent Grálja”

– mondta Zhang Minghao, a Chicagói Egyetem kutatója, a tanulmány egyik szerzője. –

Gondoljunk csak bele: egy épület különböző anyagokból áll, és nem kívánatos, hogy ezek az anyagok eltérő mértékben táguljanak vagy zsugorodjanak a hőmérséklet változásával.”

A hő ugyanakkor csak az energia egyik formája. Amikor a kutatók több gigapascal nyomásnak tették ki ezeket az anyagokat, meglepő jelenséget figyeltek meg: az anyag ahelyett, hogy összezsugorodott volna, minden irányban kitágult.

Zhang szerint az ilyen, hőnek és nyomásnak egyaránt ellenálló, precízen szabályozható anyagok olyan elképzelések megvalósítását is lehetővé tehetik, amelyeket eddig csak elméleti szinten pedzegettek – például a szerkezeti akkumulátorokét, ahol az elektromos járművek, például repülőgépek külső burkolata egyúttal az akkumulátor strukturális része is lenne.
Új életre kelnek a régi elektromos autók

Metastabil állapotban ezek az anyagok nemcsak a hőre és a nyomásra, hanem az elektromos feszültségre is teljesen szokatlan módon reagálnak.

Amikor feszültséget alkalmazunk, az anyag visszanyeri eredeti szerkezetét – mintha újraindítanánk –, így az akkumulátor gyakorlatilag újjászületik”

– magyarázta Zhang.

A kutatók a metastabil állapotot egy hegytetőn lévő sekély mélyedésben pihenő golyóval szemléltetik: bár a golyó egyensúlyban van, ez az állapot instabil, és egy apró energialöket is elegendő ahhoz, hogy leguruljon a völgybe, egy stabilabb helyzetbe.

Ez a tulajdonság lehetőséget kínál a csökkent teljesítményű elektromosautó-akkumulátorok regenerálására. Például ha egy jármű hatótávolsága 400 mérföldről 200-ra csökken a használat során, egyetlen feszültségaktiválással visszanyerhető lehet az eredeti teljesítmény – méghozzá anélkül, hogy az akkumulátort ki kellene cserélni.

Nem kell szervizbe vinni vagy visszaküldeni a gyártóhoz – elég egy célzott feszültségimpulzus, és az akkumulátor olyan lesz, mint új korában”

– foglalta össze Zhang.

Bao szerint a következő fontos lépés a metastabil állapot mélyebb megértése és a szabályozási lehetőségek pontos feltérképezése lesz.

origo.hu