Encolhe com o calor, expande sob pressão: descoberto material que desafia a Física

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Uma equipa de cientistas descobriu uma classe de materiais que desafiam as convenções: encolhem quando aquecidos e expandem sob pressão — em choque com as leis fundamentais da Física. A descoberta tem inúmeras aplicações práticas, incluindo tornar novo o seu velho carro elétrico.

O que é que se expande quando esmagado, encolhe quando aquecido e pode transformar a compreensão fundamental dos cientistas sobre os materiais e restaurar o desempenho de baterias de veículos elétricos antigas?

Não se trata de um enigma — é uma nova e notável classe de materiais descoberta por investigadores de baterias da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) em colaboração com cientistas convidados da Universidade da Califórnia (UCSD).

No decorrer da sua pesquisa, que foi apresentada num artigo publicado na quarta-feira na revista Nature, a equipa descobriu materiais que mostram propriedades de expansão térmica negativa em estados metaestáveis, oxigénio-redox activos.

Em termos mais simples, estes investigadores desenvolveram materiais que parecem desafiar as expectativas tradicionais baseadas na termodinâmica, explica o SciTechDaily.

Normalmente, os materiais estáveis respondem de forma previsível ao calor, à pressão ou à eletricidade. No entanto, nos estados metaestáveis recentemente identificados, estas reações invertem-se, comportando-se exatamente ao contrário das normas convencionais.

“Quando aquecemos os materiais, não há alteração de volume. Quando aquecidos, os materiais encolhem em vez de se expandirem”, afirmou Ying Shirley Meng, professora de Engenharia Molecular da UChicago PME.

“Pensamos que podemos ajustar as propriedades destes materiais através da química redox. Isso pode levar a aplicações muito interessantes“, nota a investigadora e autora principal do estudo.

“Um dos objetivos é levar estes materiais da investigação para a indústria, possivelmente desenvolvendo novas baterias com maior energia específica“, diz Bao Qiu, investigador na UCSD e co-autor do estudo.

Para além da miríade de novas tecnologias possibilitadas por esta descoberta, a investigação representa um avanço na ciência pura. Para Meng, isso é ainda mais emocionante. “Isto muda a nossa compreensão da ciência fundamental“, afirma Meng.

Edifícios, baterias e “ideias loucas”

Ao afinar a forma como estes materiais reagem ao calor e a outras formas de energia, os investigadores poderão criar materiais com expansão térmica zero. Isto poderia revolucionar áreas como a construção.

“Os materiais de expansão térmica zero são o sonho, diria eu”, afirmou o professor Minghao Zhang, corresponding author do trabalho. “Tomemos como exemplo todos os edifícios. Não queremos que os materiais que compõem os diferentes componentes mudem de volume com frequência”.

Mas o calor é apenas uma forma de energia. Para testar a forma como estes materiais reagem à energia mecânica, os investigadores comprimiram-nos ao nível do gigapascal — um nível de pressão tão elevado que é normalmente reservado para discutir a atividade das placas tectónicas.

Encontraram aquilo a que chamam “compressibilidade negativa“.

“A compressibilidade negativa é exatamente como a expansão térmica negativa”, disse Zhang. “Se comprimirmos uma partícula do material em todas as direções, imaginamos que, naturalmente, ela encolherá. Mas este material expande-se“.

Um material adaptado para resistir ao calor ou à pressão poderia permitir algumas “ideias loucas” anteriormente teóricas, diz Minghao Zhang, que dá o exemplo das baterias estruturais, em que as paredes de um avião elétrico também funcionam como componentes da bateria, ajudando a criar aviões mais leves e mais eficientes.

Estes novos materiais poderiam manter os componentes da bateria a salvo das alterações de temperatura e pressão registadas em diferentes altitudes, fazendo com que o céu deixe de ser o limite para esta nova tecnologia.

Elétricos antigos como novos

Tal como acontece com o calor e a pressão, a reação dos materiais metaestáveis à energia eletroquímica, a tensão, também é invertida.

“Isto é importante não só como uma descoberta científica, mas também muito aplicável à investigação sobre baterias“, afirmou Zhang. “Quando usamos a tensão, levamos o material de volta ao seu estado original. Recuperamos a bateria”.

Para compreender a metaestabilidade, imagine uma bola numa colina. A bola é instável no topo da colina. Vai rolar para baixo. É estável no fundo da colina. Não vai rolar para cima. O estado metaestável está no meio, uma bola perto do topo da colina, mas aninhada num buraco.

Esse estado metaestável pode ser bastante durável — os diamantes são uma forma metaestável de grafite, por exemplo. Mas é necessária energia para empurrar um material metaestável para fora do seu “buraco”, para que possa voltar ao seu estado estável.

“Para fazer com que os materiais passem de um estado metaestável para um estado estável, não é necessário utilizar sempre energia térmica“, disse Zhang. “É possível utilizar qualquer tipo de energia para fazer regressar o sistema”.

Isto aponta um caminho para recuperar as baterias de veículos elétricos envelhecidas. Depois de anos na estrada, um carro elétrico que já percorreu, por exemplo, 600km com uma carga, percorrerá apenas 350 ou 300 km antes de precisar de ser ligado à corrente.

Utilizando a força motriz eletroquímica para “empurrar os materiais” para os seus estados estáveis, o carro voltaria a ter a autonomia que tinha quando era novo.

“Não é necessário enviar a bateria de volta ao fabricante ou a qualquer fornecedor. Basta fazer esta ativação da tensão“, disse Zhang. “Depois, o seu carro será um carro novo. A sua bateria será uma bateria nova“.

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