시카고 대학교와 샌디에이고 캘리포니아 대학교의 과학자들은 고온, 고압 또는 전류에 노출되었을 때 놀라운 행동을 보이는 물질 그룹을 발견했습니다. 대부분의 재료와 달리 가열하면 수축하고, 누르면 팽창하며, 적절한 전하가 가해지면 원래 상태로 돌아갑니다. 이 연구는 배터리가 더 많은 에너지를 저장하는 데 도움이 되지만 종종 구조적 장애로 인해 안정성 문제를 겪는 물질인 산소-산화환원(OR) 물질에 중점을 둡니다.
장기적인 협력의 일환으로, 시카고 대학교 프리츠커 분자공학과 Y. Shirley Meng 교수 연구실의 연구원들과 샌디에고 캘리포니아 대학교 방문 학자들은 준안정 산소-산화환원 활성 물질에 음의 열팽창이 있다는 사실을 발견했는데, 이는 열역학 법칙을 위반하는 것으로 보입니다. 사진: 제이슨 스미스
정상적인 조건에서 이러한 물질은 일반적인 열역학 규칙을 따릅니다. 그러나 임시 평형인 "준안정 상태"에서는 반대 방향으로 행동합니다. "가열되면 재료는 팽창하기보다는 수축합니다"라고 Nature 저널에 발표된 연구의 수석 저자인 Shirley Meng 교수는 말했습니다. 이는 재료 구조 내에서 소위 무질서-순서 전환과 관련이 있습니다. 연구팀은 -14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹의 열팽창률을 기록했는데, 이는 재료가 가열됨에 따라 실제로 수축한다는 의미입니다. 이는 재료가 가열되면 팽창하는 이유를 설명하는 데 자주 사용되는 Grüneisen 관계라는 일반적인 이론에 위배됩니다.
스트레스는 어떻습니까? 낯선 사람이라도. 그들이 지구 판 수준에서 모든 방향으로 물질을 압착함에 따라 수축하는 대신 팽창했습니다. "음의 압축성은 음의 열팽창과 같습니다"라고 Zhang Minghao 교수는 설명합니다. "모든 방향에서 물질 입자를 압축하면... 팽창합니다."
그들은 또한 전류가 물질의 구조를 재설정할 수 있다는 것을 발견했습니다. 전압 한계를 조정함으로써 원래 구조와 성능을 거의 100% 복원했습니다. 이는 배터리 기술, 특히 전기 자동차(EV)에 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. Zhang 교수는 “전압을 가하면 재료가 원래 상태로 복원됩니다. 이런 방식으로 배터리를 복원합니다.”라고 말했습니다. 그는 "전압 활성화만 하면 자동차가 새 것처럼 보일 것입니다. 배터리도 새 것처럼 보일 것입니다."라고 덧붙였습니다.
이 연구는 건물에서 항공기에 이르기까지 모든 분야에 사용할 수 있는 열팽창이 없는 재료 개발로 이어질 수 있습니다. Zhang 교수는 "모든 건물을 예로 들면, 서로 다른 부분을 구성하는 재료의 양이 자주 바뀌는 것을 원하지 않을 것입니다."라고 지적했습니다.
연구가 진행됨에 따라 팀은 산화환원 화학을 사용하여 이러한 효과를 더욱 제어하고 실제 적용을 확장할 수 있는 방법을 이해하기를 희망합니다. 공동 제1저자인 Qiu Bao는 "목표 중 하나는 이러한 자료를 연구 결과에서 산업화로 전환하는 것"이라고 말했습니다. 그들의 작업은 에너지가 장치에 전력을 공급할 뿐만 아니라 재료 자체의 형태를 바꾸는 재료 디자인에 대한 새로운 사고방식을 열어줍니다.