El descubrimiento tiene numerosas aplicaciones prácticas
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ZAP, 20 de abril de 2025
Un equipo de científicos ha descubierto una clase de materiales que desafían las convenciones: se contraen cuando se calientan y se expanden bajo presión, lo que contradice las leyes fundamentales de la física. El descubrimiento tiene numerosas aplicaciones prácticas, entre ellas, hacer que su viejo coche eléctrico parezca nuevo nuevamente.
¿Qué se expande cuando se aplasta, se contrae cuando se calienta y podría transformar la comprensión fundamental de los científicos sobre los materiales y restaurar el rendimiento de las viejas baterías de vehículos eléctricos?
No es un misterio : se trata de una notable nueva clase de materiales descubiertos por investigadores de baterías de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) en colaboración con científicos visitantes de la Universidad de California en Los Ángeles (UCSD).
Durante su investigación, presentada en un artículo publicado el miércoles en la revista Nature, el equipo descubrió materiales que muestran propiedades de expansión térmica negativa en estados metaestables y redox-activos de oxígeno.
En términos más simples, estos investigadores han desarrollado materiales que parecen desafiar las expectativas tradicionales basadas en la termodinámica , explica SciTechDaily .
Normalmente, los materiales estables responden de manera predecible al calor , la presión o la electricidad. Sin embargo, en los estados metaestables recientemente identificados , estas reacciones se invierten y se comportan de forma exactamente opuesta a las normas convencionales.
“Cuando calentamos materiales, no se produce cambio de volumen. Al calentarlos, los materiales se contraen en lugar de expandirse”, explicó Ying Shirley Meng , profesora de ingeniería molecular en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Matemáticas de la Universidad de Chicago.
Creemos que podemos ajustar las propiedades de estos materiales mediante la química redox. Esto podría dar lugar a aplicaciones muy interesantes , señala el investigador y autor principal del estudio.
“Uno de los objetivos es llevar estos materiales de la investigación a la industria , posiblemente desarrollando nuevas baterías con mayor energía específica ”, dice Bao Qiu , investigador de la UCSD y coautor del estudio.
Además de la multitud de nuevas tecnologías que fueron posibles gracias a este descubrimiento, la investigación representa un gran avance en la ciencia pura . Para Meng, esto es aún más emocionante. "Esto cambia nuestra comprensión de la ciencia fundamental ", dice Meng.
Edificios, baterías e “ideas locas”
Al ajustar la forma en que estos materiales reaccionan al calor y a otras formas de energía, los investigadores podrían crear materiales con expansión térmica cero . Esto podría revolucionar áreas como la construcción .
“Los materiales con expansión térmica cero son el sueño , diría yo”, afirmó el profesor Minghao Zhang , autor correspondiente del artículo. Tomemos como ejemplo todos los edificios. No queremos que los materiales que componen los diferentes componentes cambien de volumen con frecuencia.
Pero el calor es sólo una forma de energía . Para probar cómo reaccionan estos materiales a la energía mecánica , los investigadores los comprimieron al nivel de gigapascales , un nivel de presión tan alto que normalmente se reserva para analizar la actividad de las placas tectónicas .
Encontraron lo que llaman “ compresibilidad negativa ”.
“La compresibilidad negativa es como la expansión térmica negativa”, dijo Zhang. Si comprimimos una partícula de material en todas direcciones, imaginamos que se encogerá naturalmente. Pero este material se expande .
Un material diseñado para soportar calor o presión podría hacer posibles algunas "ideas locas " que hasta ahora eran teóricas, dice Minghao Zhang, quien pone el ejemplo de las baterías estructurales , en las que las paredes de un avión eléctrico funcionan también como componentes de la batería , lo que ayuda a crear aviones más ligeros y eficientes.
Estos nuevos materiales podrían mantener los componentes de la batería a salvo de los cambios de temperatura y presión a diferentes altitudes, lo que significa que el cielo ya no es el límite para esta nueva tecnología.
Sistema eléctrico antiguo como nuevo
Al igual que ocurre con el calor y la presión, la reacción de los materiales metaestables a la energía electroquímica, el voltaje, también se invierte .
"Esto es importante no sólo como descubrimiento científico, sino también muy aplicable a la investigación sobre baterías ", afirmó Zhang. Al usar voltaje, restauramos el material a su estado original. Restauramos la batería.
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Para entender la metaestabilidad, imaginemos una pelota en una colina . La pelota está inestable en la cima de la colina. Se desplazará hacia abajo. Es estable al pie de la colina. No se enrolla . El estado metaestable está en el medio , una bola cerca de la cima de la colina pero anidada en un agujero.
Este estado metaestable puede ser bastante duradero (los diamantes son una forma metaestable de grafito, por ejemplo). Pero se necesita energía para sacar un material metaestable de su “agujero” para que pueda volver a su estado estable.
“Para que los materiales pasen de un estado metaestable a un estado estable, no es necesario utilizar siempre energía térmica ”, afirmó Zhang. “Es posible utilizar cualquier tipo de energía para recuperar el sistema”.
Esto indica una forma de recuperar las baterías envejecidas de los vehículos eléctricos . Después de años en la carretera, un coche eléctrico que ya ha recorrido, por ejemplo, 600 km con una carga, solo recorrerá 350 o 300 km antes de necesitar ser enchufado.
Al utilizar fuerza motriz electroquímica para “empujar los materiales” a sus estados estables, el automóvil recuperaría la autonomía que tenía cuando era nuevo.
" No es necesario devolver la batería al fabricante ni a ningún proveedor. Simplemente active el voltaje ", dijo Zhang. Entonces tu coche será nuevo. Tu batería será nueva .
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