Des scientifiques de l'Université de Chicago et de l'Université de Californie à San Diego ont découvert un groupe de matériaux qui présentent des comportements surprenants lorsqu'ils sont exposés à des températures, des pressions ou des courants électriques élevés. Contrairement à la plupart des matériaux, ceux-ci rétrécissent lorsqu’ils sont chauffés, se dilatent lorsqu’ils sont pressés et reviennent même à leur état d’origine lorsque la charge appropriée est appliquée. La recherche se concentre sur les matériaux oxygène-rédox (OR), une classe de matériaux qui peuvent aider les batteries à stocker plus d'énergie mais souffrent souvent de problèmes de stabilité dus à un désordre structurel.
Dans le cadre d'une collaboration à long terme, des chercheurs du laboratoire du professeur Y. Shirley Meng de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago et des chercheurs invités de l'Université de Californie à San Diego ont découvert qu'il existe une dilatation thermique négative dans les matériaux actifs métastables oxygène-rédox, ce qui semble violer les lois de la thermodynamique. Photographie : Jason Smith
Dans des conditions normales, ces matériaux suivent les règles habituelles de la thermodynamique. Mais dans ce qu’on appelle un « état métastable », un équilibre temporaire, ils se comportent dans la direction opposée. "Lorsqu'ils sont chauffés, les matériaux rétrécissent au lieu de se dilater", a déclaré le professeur Shirley Meng, auteur principal de l'étude publiée dans la revue Nature. Ceci est lié à ce que l'on appelle la transition du désordre à l'ordre au sein de la structure du matériau. L'équipe de recherche a enregistré un taux de dilatation thermique de -14,4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, ce qui signifie que le matériau rétrécit à mesure qu'il chauffe. Cela va à l’encontre d’une théorie courante appelée relation de Grüneisen, qui est souvent utilisée pour expliquer pourquoi les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés.
Et le stress ? Encore plus étrange. En pressant la matière dans toutes les directions au niveau des plaques terrestres, au lieu de rétrécir, elle s'est dilatée. "La compressibilité négative est comme une dilatation thermique négative", explique le professeur Zhang Minghao. "Si vous comprimez une particule de matière dans toutes les directions... elle se dilatera."
Ils ont également découvert que le courant électrique peut réinitialiser la structure du matériau. En ajustant les limites de tension, ils ont restauré près de 100 % de la structure et des performances d'origine. Cela recèle un énorme potentiel pour la technologie des batteries, en particulier pour les véhicules électriques (VE). "Lorsque nous appliquons une tension, nous rétablissons le matériau dans son état d'origine. De cette façon, nous restaurons la batterie", a déclaré le professeur Zhang. Il a ajouté : "Il vous suffit d'activer la tension... et votre voiture aura l'air neuve. Votre batterie aura l'air neuve."
Cette recherche pourrait conduire au développement de matériaux à dilatation thermique nulle destinés à être utilisés dans tous les domaines, des bâtiments aux avions. Le professeur Zhang a souligné : « Prenez chaque bâtiment comme exemple, vous ne voulez certainement pas que le volume de matériaux qui composent les différentes parties change fréquemment.
À mesure que leurs recherches progressent, l’équipe espère comprendre comment la chimie redox peut être utilisée pour contrôler davantage ces effets et élargir les applications pratiques. "L'un des objectifs est de traduire ces matériaux des résultats de la recherche à l'industrialisation", a déclaré le co-premier auteur Qiu Bao. Leur travail ouvre une nouvelle façon de penser la conception des matériaux, où l’énergie alimente non seulement les appareils mais remodèle également les matériaux eux-mêmes.