芝加哥大学和加州大学圣地亚哥分校的科学家们发现了一类特殊的氧-氧化还原（OR）材料，它们在高温、高压或电流作用下表现出与常规材料截然相反的行为。这些材料在受热时会收缩，受压时会膨胀，并且可以通过施加电流恢复到原始状态。这项发现对电池技术，尤其是电动汽车的续航和寿命，具有革命性的潜力，有望通过电压激活实现电池的“焕然一新”。此外，这类材料的零热膨胀特性也为建筑、航空等领域提供了新的材料设计思路，未来研究将聚焦于利用氧化还原化学进一步控制和拓展这些材料的应用。

⚛️ 负热膨胀特性：研究发现，某些亚稳态氧-氧化还原（OR）材料在受热时会发生收缩，而非正常的膨胀。具体表现为热膨胀系数为-14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹，这与传统的Grüneisen关系理论相悖，揭示了材料结构中存在的无序-有序转变是其反常行为的关键。

🗜️ 负压缩性：当对这类材料施加类似地球板块挤压的压力时，它们非但没有被压缩，反而会发生膨胀。这种“负压缩性”进一步挑战了人们对材料在压力下行为的固有认知，为理解极端环境下的材料力学提供了新的视角。

⚡️ 电流可重置性：研究团队发现，通过调整电压极限，可以使这些材料的结构和性能几乎100%恢复到原始状态。这一发现为电池技术带来了巨大潜力，特别是对于电动汽车而言，只需进行电压激活，即可实现电池的“焕然一新”，显著延长其使用寿命和性能。

💡 潜在应用广泛：这类具有反常热膨胀和压缩特性的材料，尤其是在零热膨胀方面，为建筑、航空等多个领域提供了创新的材料设计思路。例如，在建筑领域，可以避免因材料体积频繁变化而导致的结构问题。

🚀 转化与展望：研究团队的目标是将这些实验室的突破性成果转化为实际的产业化应用。他们希望通过深入研究氧化还原化学，进一步控制这些反常效应，并拓展其在能源存储和新材料设计领域的应用，为能源技术和材料科学开辟新的道路。

芝加哥大学和加州大学圣地亚哥分校的科学家发现了一组材料，它们在高温、高压或电流作用下会表现出令人惊奇的行为。与大多数材料不同，这些材料受热时会收缩，受压时会膨胀，甚至在施加适当的电荷后会恢复到原始状态。这项研究的重点是氧-氧化还原 (OR) 材料——这类材料可以帮助电池存储更多能量，但由于结构无序，通常会存在稳定性问题。

作为长期合作的一部分，芝加哥大学普利兹克分子工程学院Y. Shirley Meng教授实验室的研究人员与加州大学圣地亚哥分校的访问学者发现，亚稳态氧-氧化还原活性材料中存在负热膨胀，这似乎违反了热力学定律。摄影：Jason Smith

在正常状态下，这些材料遵循通常的热力学规则。但在所谓的“亚稳态”（一种暂时的平衡）下，它们的行为则相反。“受热时，材料会收缩而不是膨胀，”发表在《自然》杂志上的这项研究的资深作者Shirley Meng教授说道。这与材料结构内部所谓的无序-有序转变有关。研究团队记录到的热膨胀率为-14.4(2) × 10⁻⁶ °C⁻¹，这意味着材料在升温时实际上会收缩。这与一种名为Grüneisen关系的常见理论相悖，该理论通常用于解释材料受热膨胀的原因。

那么压力呢？更奇怪。当他们以地球板块的水平向四周挤压这种物质时，它不仅没有变小，反而膨胀了。“负压缩性就像负热膨胀，”张明浩教授解释说。“如果你从各个方向压缩一个物质粒子……它就会膨胀。”

他们还发现，电流可以重置材料的结构。通过调整电压极限，他们几乎恢复了100%的原始结构和性能。这对于电池技术，尤其是电动汽车（EV）来说，具有巨大的潜力。“当我们使用电压时，我们会将材料恢复到原始状态。这样我们就恢复了电池，”张教授说道。他补充道：“你只需要进行电压激活……你的车就会焕然一新。你的电池也会焕然一新。”

这项研究或许能研发出零热膨胀的材料，用于从建筑到飞机等各种领域。张教授指出：“以每一栋建筑为例，你肯定不希望构成不同部件的材料体积频繁变化。”

随着研究的深入，该团队希望了解如何利用氧化还原化学进一步控制这些效应并拓展实际应用。“目标之一是将这些材料从研究成果转化为产业化，”共同第一作者鲍秋说道。他们的工作开辟了一种新的材料设计思路，能量不仅能为设备提供动力，还能重塑材料本身。