Przewodzi prąd, ale nie ciepło

Specjaliści z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że metaliczny dwutlenek wanadu przeczy kolejnemu znanemu prawu fizycznemu. Okazuje się bowiem, że przewodzi on elektryczność bez jednoczesnego przewodzenia ciepła.

Dla większości metali zależność pomiędzy przewodnictwem cieplnym a elektrycznym jest opisana za pomocą prawa Wiedemanna-Franza, które mówi, że w dowolnym metalu stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego jest wprost proporcjonalny do temperatury. Jednak, jak się okazało, prawo to nie odnosi się do dwutlenku wanadu, materiału znanego choćby z tego, że już w temperaturze 67 stopni Celsjusza zmienia się z izolatora w metal.

To było zupełnie niespodziewane odkrycie. To całkowite odejście od przyjętego prawa fizycznego, które wielokrotnie udowodniło swoje zastosowanie w przypadku standardowych przewodników. Odkrycie to ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia podstawowych właściwości nowych przewodników - mówi główny autor badań profesor Junquiao Wu.

Uczeni badając właściwości dwutlenku wanadu wykorzystali zarówno symulacje komputerowe jak i technikę rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, które pozwalają na badanie przewodnictwa cieplnego związanego z wibracjami struktury krystalicznej oraz ruchem elektronów. Ku zdumieniu eksperymentatorów okazało się, że przewodnictwo cieplne zależne od elektronów jest 10-krotnie mniejsze niż wynikałoby to z prawa Wiedemanna-Franza. Elektrony poruszały się zgodnie względem siebie, jak płyn, zamiast poruszać się jak indywidualne cząstki, tak jak w metalach. [...] Metale efektywnie transportują ciepło, gdyż występuje w nich tak wiele możliwych mikroskopijnych konfiguracji, że elektrony swobodnie pomiędzy nimi przeskakują. Skoordynowany ruch elektronów w dwutlenku wanadu ogranicza transport ciepła, gdyż jest mniej konfiguracji, pomiędzy którymi elektrony mogą swobodnie się przemieszczać.

Bardzo interesującą cechę dwutlenku wanadu jest fakt, że mieszając ten materiał z innymi można manipulować jego przewodnictwem ciepłym i elektrycznym. Gdy naukowcy domieszkowali wolfram do pojedynczego kryształu dwutlenku wanadu, obniżyli temperaturę przemiany fazowej, w której materiał staje się metalem. Jednocześnie elektrony w fazie metalicznej lepiej przenosiły ciepło. Dzięki temu, manipulując temperaturą kryształu, naukowcy mogli decydować, jak wiele ciepła będzie on rozpraszał. Ten i podobne materiały mogą zostać użyte do przechwytywania i wykorzystywania ciepła odpadowego z silników czy do pokrycia szyb w budynkach, co pozwoli na efektywniejsze używanie w nich energii.

Możemy go użyć do ustabilizowania temperatury. Po odpowiednim dobraniu przewodnictwa cieplnego materiał może efektywnie rozpraszać ciepło w lecie, gdyż będzie charakteryzował się wysokim przewodnictwem w wysokich temperaturach, a w zimie, w niskich temperaturach, będzie zatrzymywał ciepło wewnątrz budynku - mówi Fan Yang z LBNL.

Dodatkową zaletą dwutlenku wanadu jest fakt, że w temperaturze poniżej około 30 stopni Celsjusza jest on przezroczysty, a powyżej 60 stopni absorbuje podczerwień. Znamy też inne materiały, które transportują ciepło lepiej niż elektryczność, ale działają one w bardzo niskich temperaturach, przez co trudno je zastosować w praktyce.

dwutlenek wanadu prąd ciepło elektron metal