Wetenschappers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat zich volledig anders gedraagt dan wat we tot nu toe voor mogelijk hielden. Het krimpt als het wordt verwarmd, zet uit als je het samenperst, en kan mogelijk zelfs versleten EV-batterijen hun originele actieradius teruggeven – zonder dat je ze hoeft te vervangen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature, vonden onderzoekers van de University of Chicago en de University of California, San Diego deze bizarre eigenschappen bij zogenoemde metastabiele zuurstof-redox actieve materialen. De implicaties? Die reiken van fundamentele natuurkunde tot toekomstige luchtvaart en batterijtechnologie.
Krimpen bij warmte, uitzetten bij druk
Normaal gesproken zetten materialen uit als ze worden verwarmd. Maar niet deze. “Wanneer je deze materialen verwarmt, krimpen ze in plaats van uit te zetten,” zegt professor Shirley Meng, moleculair ingenieur aan de University of Chicago en een van de hoofdauteurs van het onderzoek.
Niet alleen dat: als het materiaal onder hoge druk wordt gezet – vergelijkbaar met de druk die optreedt tussen tektonische platen – blijkt het juist uit te zetten in plaats van samen te persen. Dit fenomeen staat bekend als negatieve compressibiliteit, en is net zo ongebruikelijk als het klinkt.
Het geheim: metastabiliteit
De sleutel tot dit vreemde gedrag ligt in de metastabiele toestand van het materiaal. Mengs collega, onderzoeker Minghao Zhang, legt het uit met een simpele metafoor: “Stel je een bal voor die in een kleine kuil op een heuvel ligt. Het lijkt alsof hij stil ligt, maar met een klein duwtje rolt hij weg. Dat is metastabiliteit.”
In deze toestand worden de natuurkundige reacties van het materiaal als het ware omgedraaid. En daar komen niet alleen interessante wetenschappelijke inzichten uit voort, maar ook revolutionaire toepassingen.
Structurele batterijen en zelfherstellende EV’s
Zhang en zijn team dromen al hardop over de volgende stap: structurele batterijen, waarbij bijvoorbeeld de wand van een vliegtuig óók als batterij dient. Dankzij de bestendigheid tegen extreme temperatuur- en drukschommelingen zijn dit soort toepassingen ineens veel realistischer.
Maar het meest spectaculaire vooruitzicht? Oude elektrische auto’s nieuw leven inblazen. Na duizenden laadcycli neemt de actieradius van een EV af; waar een nieuwe auto bijvoorbeeld 400 kilometer haalde, redt na verloop van tijd soms nog maar 200 kilometer. Door een elektrisch signaal toe te passen op het nieuwe materiaal, keert het terug naar zijn oorspronkelijke stabiele toestand. En daarmee, zo denken de onderzoekers, keert ook de capaciteit van de batterij terug.
Het gaat dus niet over bestaande batterijen die je zomaar “even” reset — tenzij ze toevallig al van dit specifieke materiaal zijn gebouwd (wat nu nog niet het geval is). Het is vooruitblikkend, een technologie voor toekomstige batterijen.
“Je hoeft je auto niet terug te brengen naar de dealer,” zegt Zhang. “Je voert een voltage-activatie uit en je batterij is weer als nieuw.”
Ook potentieel voor de bouwsector
Een ander potentieel gebruik ligt in de bouwsector. Meng: “Materialen die niet uitzetten of krimpen bij temperatuurverandering – dat is de droom.” Denk aan gebouwen waarin alle onderdelen precies dezelfde afmetingen houden, ongeacht de weersomstandigheden. Het zou constructies duurzamer, veiliger en onderhoudsarmer maken.
Nieuwe materie, nieuwe natuurkunde
Hoewel de praktische toepassingen lonken, benadrukken de wetenschappers dat de grootste winst mogelijk zit in het fundamentele inzicht dat dit materiaal biedt. “Dit verandert ons begrip van de natuurkunde zelf,” zegt Meng. De ontdekking volgt volgens haar het principe van de Universiteit van Chicago: kennis najagen omwille van de kennis.
Slim schakelen
De komende jaren wil het team met behulp van redoxchemie verder onderzoeken hoe het materiaal gecontroleerd kan schakelen tussen stabiele en metastabiele toestanden.
Wat nu nog klinkt als sciencefiction – batterijen die zichzelf resetten of vliegtuigen die hun eigen energie opslaan – zou dan wel eens verrassend dichtbij kunnen komen.
