Materiais que quebram as leis da física podem revolucionar armazenamento de energia

Cientistas das Universidades de Chicago e UC San Diego identificaram um grupo de materiais que exibem comportamentos incomuns quando submetidos a calor, pressão ou eletricidade. Ao contrário da maioria das substâncias, esses materiais podem encolher com o aquecimento, expandir sob compressão e até retornar ao seu estado original com a aplicação de uma carga elétrica específica. A pesquisa se concentra em materiais de oxirredução (OR), tipos que podem aprimorar o armazenamento de energia em baterias, mas que usualmente enfrentam desafios de estabilidade devido a desordem estrutural.

A Descoberta de um Material quebrando leis da Física Tradicional

Em sua condição normal, esses materiais seguem as regras esperadas da termodinâmica. Contudo, em um estado de “metaestabilidade”, que é um tipo de equilíbrio temporário, eles se comportam de maneira inversa. O professor Shirley Meng, um dos autores principais do estudo publicado na Nature, explicou que “Quando aquecido, o material encolhe em vez de expandir.” Esse comportamento está ligado a uma transição de desordem para ordem na estrutura interna do material.

A equipe de pesquisa registrou uma taxa de expansão térmica negativa de −14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹, o que significa que o material de fato se contrai quando aquecido. Esse fenômeno vai contra a relação de Grüneisen, uma teoria comum que geralmente explica por que os materiais se expandem com o calor. É como se a própria natureza invertesse suas regras para estes elementos.

E a pressão? A situação fica ainda mais surpreendente. Quando o material foi comprimido de todos os lados, em níveis comparáveis aos encontrados nas placas tectônicas da Terra, ele se expandiu em vez de diminuir de volume. O professor Minghao Zhang detalhou que “A compressibilidade negativa é exatamente como a expansão térmica negativa. Se você comprimir uma partícula do material em todas as direções, ela vai expandir”.

Impacto no Futuro da Tecnologia e da Engenharia

Os pesquisadores também descobriram que a eletricidade pode restaurar a estrutura do material. Ao ajustar os limites de voltagem, foi possível recuperar quase a totalidade da estrutura e do desempenho originais. Isso representa um potencial significativo para a tecnologia de baterias, especialmente em veículos elétricos (EVs). O professor Zhang comentou: “Quando usamos a voltagem, impulsionamos o material de volta ao seu estado original. Recuperamos a bateria.”

Ele acrescentou que, com essa “ativação por voltagem”, seu carro pode se tornar um “carro novo” e sua bateria uma “bateria nova”. A capacidade de regeneração pode aumentar a vida útil e a eficiência energética, contribuindo para a sustentabilidade.

Este trabalho pode abrir caminho para o desenvolvimento de materiais com zero expansão térmica. Tais materiais seriam úteis em diversas aplicações, desde construções civis até aeronaves. O professor Zhang destacou que, em edifícios, por exemplo, é ideal que os materiais dos diferentes componentes não mudem de volume com frequência, garantindo maior integridade estrutural.

No futuro, a equipe busca aprofundar a compreensão de como a química de oxirredução pode controlar ainda mais esses efeitos e ampliar as aplicações práticas. O coautor Bao Qiu afirmou que um dos objetivos é levar esses materiais da pesquisa para a indústria. O trabalho deles propõe uma nova perspectiva no design de materiais, onde a energia não apenas alimenta dispositivos, mas também remodela seus componentes básicos.

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Via Neowin