芝加哥大學普利茲克分子工程學院（Pritzker School of Molecular Engineering）與加州大學聖地牙哥分校的研究團隊，在一項長期合作中發現了一類亞穩態氧化還原活性材料，這些材料在特定狀態下會出現「負熱膨脹」現象——即受熱時收縮、受壓時膨脹，似乎違反了傳統熱力學定律。這項突破性研究已刊登於頂尖學術期刊《自然》（Nature），並有望徹底改變電動車電池技術，甚至讓老化電池恢復至出廠時的原始效能。
從基礎科學到「狂想」般的應用
在穩定狀態下，這些材料對熱、壓力或電力的反應與一般材料無異。然而，研究團隊發現，當材料處於「亞穩態」時，其反應卻完全相反。芝加哥大學普利茲克分子工程學院孟穎教授（Prof. Y. Shirley Meng，Liew 家族分子工程講座教授、研究資深作者）解釋：「當你加熱這些材料時，它們不會膨脹，反而會收縮。我們認為可以透過氧化還原化學來調整這些材料的特性，這將帶來非常令人興奮的應用。」
透過精細調整材料對熱與其他能量形式的反應，研究人員可以創造出「零熱膨脹材料」，這在建築等領域極具潛力。芝加哥大學普利茲克分子工程學院副研究教授張明浩（共同通訊作者）形容：「零熱膨脹材料是夢想中的材料。以每一棟建築為例，你不希望不同組件的材料頻繁改變體積。」
研究團隊更進一步測試材料對機械能的反應，在千兆帕（gigapascal）級別的壓力下壓縮材料——這種壓力通常只用於描述板塊運動。結果發現了所謂的「負可壓縮性」：當從各個方向壓縮材料顆粒時，理論上它應該收縮，但這種材料卻會膨脹。張明浩指出，能夠抵抗熱或壓力的材料，可能使一些過去僅存在於理論中的「狂想」成為現實。例如，結構電池可以讓電動飛機的機身同時作為電池外殼，從而打造更輕、更高效的飛機；這些新材料能保護電池組件免受不同高度下的溫度與壓力變化影響，讓天空不再是技術的極限。
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讓舊電動車電池「煥然一新」
與熱與壓力相同，這些亞穩態材料對電化學能量（電壓）的反應也翻轉了。張明浩表示：「這不僅是一項科學發現，對電池研究也非常有應用價值。當我們施加電壓時，能將材料驅動回到原始狀態，恢復電池效能。」
要理解亞穩態，可以想像一顆球在山丘上。球在山頂是不穩定的，會滾下山並在山腳穩定下來，之後不會再滾上去。亞穩態則是指球停在靠近山頂的一個凹陷處。這種亞穩態可能相當持久——例如鑽石就是石墨的一種亞穩態，但需要能量才能將材料從「凹陷」中推回穩定狀態。
「要將材料從亞穩態驅動回穩定態，不一定要用熱能。」張明浩說：「任何形式的能量都可以驅動系統回到原始狀態。」這為重置老化的電動車電池提供了途徑。多年使用後，一輛電動車原本每次充電可行駛約 400 英里，可能只能跑 200 英里。透過電化學驅動力將材料推回穩定態，能讓電池恢復至新車時的續航里程。
「你不需要把電池送回製造商或供應商，只要進行電壓激活即可。」張明浩說：「然後，你的車就像新車一樣，你的電池也會像新的一樣。」
在一項長期合作中，芝加哥大學普利茲克分子工程學院孟穎教授（Prof. Y. Shirley Meng）的研究團隊，與加州大學聖地牙哥分校的訪問學者共同發現，亞穩態氧化還原活性材料中存在「負熱膨脹」現象，似乎違反了熱力學定律。
從研究邁向產業
共同第一作者邱寶（Bao Qiu，加州大學聖地牙哥分校訪問學者，來自寧波材料技術與工程研究所）表示：「其中一個目標是將這些材料從研究推向產業，可能開發出具有更高比能的新型電池。」除了可能催生眾多新技術外，這項研究也代表了純科學的一大進展。對孟教授而言，這更令人振奮。
「這改變了我們對基礎科學的理解。」孟教授說，她同時擔任芝加哥大學新成立的氣候與永續發展研究所能源技術倡議的學術主任。「我們的工作遵循芝加哥大學的模式——一種為了探索與知識本身而推動的模式。」
隨著這些應用前景逐漸展現，研究團隊正持續推進工作。邱寶表示，下一步是繼續透過氧化還原化學研究這些材料，並「提煉出關鍵要點」，探索這一新領域的邊界。
