Знайдений метал, який проводить електрику, але не тепло
Діоксид ванадію
В науці існує закон, відомий як Закон Відеманн-Франца, який свідчить, що більшість металів, які є хорошими провідниками електрики, також є хорошими провідниками тепла. Цей закон істотно пояснює, чому такі речі, як мотори і смартфони, стають гарячими, коли вони використовуються протягом тривалого періоду часу.
Однак виявлений один метал, що порушує це правило. Відомий як металевий діоксид ванадію (VO2), він, мабуть, здатний проводити електрику без супутнього тепла. VO2 вже є унікальним металом - він може перемикатися між ізолятором і провідником при нагріванні до 67 градусів за Цельсієм (152 градуса за Фаренгейтом), але його відхилення від Закону Wiedemann-Franz означає, що він може бути ідеальним для більш широкого спектру застосувань які інші метали не підходять.
Дослідження, яке призвело до одкровення про VO2, було проведено групою вчених з Національної лабораторії Лоуренса Берклі в Лабораторії Берклі (Berkeley Lab) і Каліфорнійського університету в Берклі ще в січні. Дослідники були здивовані і раді, що стали свідками унікальних можливостей цього матеріалу.
«Це було абсолютно несподіване відкриття», - сказав провідний дослідник і фізик Junqiao Wu з Відділення наук про матеріали Berkeley Lab. «Це показує різке порушення закону підручника, який, як відомо, є надійним для звичайних провідників. Це відкриття має фундаментальне значення для розуміння основного електронного поведінки нових провідників.
Подальший аналіз
Ву і його команда звернулися до Національного співробітнику лабораторії Ок-Рідж і професору Університету Дьюка Олів'є Деларей, щоб дізнатися більше про VO2. Використовуючи експерименти з моделювання і розсіювання рентгенівських променів, їх спільні зусилля дозволили їм спостерігати кристалічну решітку матеріалу, відому як фонони, і як рухаються її електрони. Діоксид ванадію потім показав команді, що питома теплопровідність, приписувана електронам, в десять разів менше, ніж очікував від них закон Відеманн-Франца. Крім того, електрони рухалися так само, як рідина.
«Електрони рухалися в унісон один з одним, подібно рідини, а не як окремі частинки, як у нормальних металах», пояснив Ву. «Для електронів тепло є випадковим рухом. Нормальні метали транспортують тепло ефективно, тому що існує так багато різних можливих мікроскопічних конфігурацій, які окремі електрони можуть стрибати між ними.
Wu додав: «Навпаки, скоординований рух електронів в двоокису ванадію з координованим діапазоном впливає на перенесення тепла, оскільки існує менше конфігурацій, доступних для електронів, щоб випадково перескакувати між ними».
Чи не здивувалися сюрпризи. Потім команда виявила, що кількість електрики і тепла, яке VO2 може проводити, може регулюватися, коли вводяться інші матеріали. Наприклад, додавання металевого вольфраму одночасно зменшувало температуру, при якій VO2 ставав металевим, і робив його кращим теплопровідником.
«Цей матеріал можна використовувати, щоб допомогти стабілізувати температуру», - сказав Фан Ян, науковий співробітник дослідницької лабораторії «Молекулярний ливарний завод Берклі Лейбл» і автор співавторів дослідження. Ян далі пояснив, що потрібно більше роботи і досліджень, перш ніж діоксид ванадію можна буде комерціалізувати і використовувати в загальнодоступних продуктах.
Проте, команда зазначає, що VO2 може бути використаний для видалення або, принаймні, зниження тепла в двигунах, або для створення віконного покриття, яке «покращує ефективне використання енергії в будівлях». Уявіть собі, що здатний охолонути в кімнаті без використання будь-яких кондиціонерів або стоячих вентиляторів або підтримувати тепло всередині будівлі під час зими.
Звичайно, тільки час покаже, чи підходить до вирішення завдання двоокис ванадію. Незалежно від результатів, цікаво дізнатися, як такі характеристики існують в нічого не підозрюють матеріалах.
Література: НаукаАлерт, Наука
