دانشمندان به تازگی ماده‌ای را شناسایی کرده‌اند که رفتاری کاملا متفاوت در مقایسه با مواد پایدار از خود نشان می‌دهد. این ماده بر خلاف قانون شناخته شده، به هنگام افزایش دما منقبض و در برابر فشار منبسط می‌شود.
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.
ماده‌ای که به تازگی در پژوهشگاه مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) شناسایی شده، در حالت‌های شبه‌پایدار (Metastable) رفتار و واکنشی کاملا متفاوت از مواد پایدار نشان می‌دهد.
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.
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 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.»
وضعیت شبه‌پایدار این ماده 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.
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.
یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های این ماده جدید، در حوزه فناوری باتری‌هاست. معمولا 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.»
این کشف می‌تواند تعریف معلوم 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.
