کشف ماده‌ای عجیب که قوانین فیزیک را زیر پا می‌گذارد

زهرا وجدانی: در جهانی که هر روز در آن مرز‌های دانش و فناوری جابه‌جا می‌شود، گاه یک کشف علمی نه‌تنها در حوزه خاص خود، بلکه در درک ما از قوانین بنیادین طبیعت تحول ایجاد می‌کند. یکی از تازه‌ترین این تحولات، کشف ماده‌ای جدید است که در کمال شگفتی، برخلاف قوانین شناخته‌شده فیزیک، در برابر گرما منقبض و تحت فشار منبسط می‌شود. این ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد که حاصل یک وضعیت ساختاری شبه‌پایدار در این ماده هستند، می‌توانند کاربرد‌هایی انقلابی در صنایع مختلف از باتری‌های نسل جدید گرفته تا طراحی سازه‌های فوق‌پایدار داشته باشند.  

این ویژگی‌های کاملاً غیرمعمول که در تعارض با قواعد ترمودینامیک قرار می‌گیرند، می‌توانند راه را برای تحولات بنیادین در طراحی باتری‌ها، تجهیزات الکترونیکی، ساخت‌وساز و حتی صنعت هوانوردی هموار کنند.

در این گزارش، به بررسی دقیق ابعاد علمی، فنی و کاربردی این کشف مهم می‌پردازیم.

رفتار‌های عجیب اما واقعی

ماده‌ای که به تازگی در پژوهشگاه مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) شناسایی شده، در حالت‌های شبه‌پایدار (Metastable) رفتاری کاملاً متفاوت از مواد پایدار نشان می‌دهد. به طور معمول، اکثر مواد در هنگام افزایش دما دچار انبساط حجمی می‌شوند و در برابر فشار منقبض می‌گردند. اما ماده جدید در حالت شبه‌پایدار، به هنگام گرم‌شدن منقبض می‌شود و در برابر اعمال فشار، بر خلاف انتظار، منبسط می‌گردد؛ پدیده‌هایی که به ترتیب با عنوان «انقباض حرارتی منفی» (Negative Thermal Expansion) و «فشردگی منفی» (Negative Compressibility) شناخته می‌شوند.

تحولی در دانش پایه و کاربرد‌های صنعتی

شیرلی منگ، استاد مهندسی مولکولی و مدیر ابتکار فناوری انرژی در مؤسسه نوپای رشد پایدار دانشگاه شیکاگو، با اشاره به اهمیت علمی این کشف می‌گوید: «ما معتقدیم می‌توانیم ویژگی‌های این مواد را از طریق شیمی احیاء و اکسایش (Redox Chemistry) تنظیم کنیم. این یک مسیر بسیار هیجان‌انگیز برای توسعه کاربرد‌های فناورانه فراهم می‌سازد.

این پژوهش که نتایج آن در ژورنال علمی معتبر Nature در تاریخ ۱۶ آوریل ۲۰۲۵ منتشر شده، نه‌تنها نویددهنده کاربرد‌های گسترده در صنعت باتری‌سازی است، بلکه افق‌های تازه‌ای در فهم بنیادین ما از رفتار مواد و ساختار‌های اتمی می‌گشاید.

ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد ماده جدید

یکی از ویژگی‌های برجسته ماده کشف‌شده، توانایی آن در مقاومت در برابر تغییرات حجمی در اثر دماست.

مینگهائو ژانگ، استاد پژوهشی مهندسی مولکولی در UChicago PME می‌گوید: «مواد با انبساط حرارتی صفر، رویای هر مهندس مواد هستند. تصور کنید تمام اجزای یک ساختمان از موادی ساخته شوند که حجم آنها در برابر تغییرات دما ثابت باقی بماند؛ این به‌طور چشمگیری پایداری سازه‌ها را افزایش می‌دهد.».

اما مهم‌تر از واکنش به حرارت، واکنش ماده جدید در برابر فشار مکانیکی نیز خارق‌العاده است. در تست‌های انجام‌شده، این ماده تحت فشار بسیار بالا در سطح گیگاپاسکال (معمولاً در مباحث زمین‌ساختی به کار می‌رود) نه تنها دچار کاهش حجم نشد، بلکه منبسط گردید.

به گفته ژانگ: «اگر ماده‌ای را از تمام جهات فشار دهید، به طور طبیعی انتظار می‌رود منقبض شود. اما این ماده، در کمال تعجب، دچار انبساط می‌شود.»

درک وضعیت شبه‌پایدار: بین ثبات و ناپایداری

برای درک بهتر رفتار این ماده، مفهوم «شبه‌پایداری» بسیار کلیدی است. وضعیت شبه‌پایدار حالتی است که ماده در آن در تعادل نسبی قرار دارد، ولی با اعمال اندکی انرژی می‌تواند به حالت پایدار یا ناپایدار تغییر وضعیت دهد. این وضعیت شبیه به گوی کوچکی است که در فرورفتگی بالای یک تپه قرار دارد؛ در حالت تعادل نسبی قرار دارد ولی کوچک‌ترین نیرو می‌تواند آن را از جای خود خارج کرده و به پایین تپه بغلتاند.

به گفته پژوهشگران، همین حالت شبه‌پایدار در ساختار ماده باعث رفتار‌های غیرمعمول آن شده است. مثال شناخته‌شده‌ای از ماده‌ای با وضعیت شبه‌پایدار، الماس است که ساختار ناپایدارتر نسبت به گرافیت دارد، اما به دلیل انرژی بالای لازم برای تغییر فاز، در وضعیت شبه‌پایدار باقی می‌ماند.

کاربرد‌های بی‌شمار از باتری‌های قابل بازیابی تا هواپیما‌های الکتریکی

یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های این ماده جدید، در حوزه فناوری باتری‌هاست. معمولاً باتری‌های خودرو‌های برقی پس از چند سال استفاده، ظرفیت شارژ خود را از دست می‌دهند و نیاز به تعویض یا بازیابی دارند. اما ماده جدید با توانایی برگشت‌پذیری ساختار در اثر اعمال ولتاژ، این امکان را فراهم می‌سازد که باتری به حالت اولیه خود بازگردد.

ژانگ در این‌باره می‌گوید: «وقتی ولتاژ الکتریکی به ماده اعمال می‌شود، ساختار آن از حالت شبه‌پایدار به حالت پایدار بازمی‌گردد و این یعنی بازیابی کامل باتری بدون نیاز به تعویض یا ارسال به کارخانه.»

وی همچنین از ایده‌هایی فراتر از کاربرد‌های متعارف باتری سخن گفت: «تصور کنید بدنه یک هواپیمای الکتریکی نه تنها وظیفه ساختاری داشته باشد، بلکه به عنوان دیواره باتری نیز عمل کند. این ترکیب عملکرد ساختاری و ذخیره انرژی می‌تواند طراحی هواپیما‌ها را به‌طور کامل متحول کند.»

آیا ماده‌ای با قوانین خودش ظهور کرده است؟

کشف ماده‌ای که در برابر گرما منقبض و تحت فشار منبسط می‌شود، تنها یک پدیده عجیب علمی نیست؛ این کشف می‌تواند تعریف ما از رفتار ماده، پایداری ساختارها، فناوری باتری‌ها و طراحی ابزار‌های آینده را بازنویسی کند. جهان علم اکنون در برابر ماده‌ای قرار گرفته که به نظر می‌رسد قوانین خاص خود را دارد؛ ماده‌ای که شاید مسیر علم و فناوری را در دهه‌های آینده دگرگون سازد.

انتهای پیام/