A fizikusok azonosítottak egy fémet, amely vezeti az elektromosságot, de a hőt nem
2019.12.01
A kutatók egy olyan fémet azonosítottak, amely hővezetés nélkül vezeti az áramot. Ez egy hihetetlenül hasznos tulajdonság, amely ellentmond a vezetők működésével kapcsolatos jelenlegi megértésünknek.
A 2017-ben talált fém ellentmond a Wiedemann-Franz törvénynek, amely alapvetően azt állítja, hogy a jó villamosvezetők arányosan jó hővezetők is egyben, ezért melegednek fel az olyan dolgok, mint a motorok és készülékek, amikor rendszeresen használják őket.
Egy amerikai fizikus csapat azonban bebizonyította, hogy ez nem vonatkozik a vanádium-dioxidra (VO₂). Ez az anyag már ismert a furcsa képességéről, hogy szobahőmérsékleten átlátszó szigetelőből vezetőképes fémmé képes változni 67 Celsius fokos hőmérsékleten. (1)
„Ez egy teljesen váratlan eredmény volt,” – mondta Junqiao Wu, a Berkeley Lab Anyagtudományi Osztályának vezető kutatója 2017. januárjában.
„Ez egy olyan tankönyvi törvény drasztikus cáfolatát mutatja, amelyről ismert, hogy a hagyományos vezetők esetében mindig fennáll. Ez a felfedezés alapvető fontosságú az új vezetők alapvető elektronikus viselkedésének megértése szempontjából.”
Ez a váratlan tulajdonság nemcsak megváltoztatja a vezetőkről meglévő ismereteinket, hanem hihetetlenül hasznos is lehet – a fém egy nap felhasználható a motorok és készülékek elpazarolt hőjének villamos energiává történő átalakítására, vagy akár jobb ablakok létrehozására, amelyek hűvösen tartják az épületeket.
A kutatók már ismertek egy maroknyi más anyagot, amelyek jobban vezetik az elektromos energiát, mint a hőt, ám ezeket a tulajdonságokat csak mínusz több száz fokos hőmérsékleten mutatják, ami rendkívül alkalmatlanná teszi őket minden valós felhasználás esetén.
A vanádium-dioxid viszont általában csak vezetőként működik melegebb hőmérsékleten, jóval a szobahőmérséklet felett, ami azt jelenti, hogy sokkal praktikusabb dolgokra lehet felhasználni.
Ennek a bizarr tulajdonságnak a feltárása érdekében a csapat megvizsgálta az elektronok mozgását a vanádium-dioxid kristályrácsában, valamint azt, hogy mennyi hőt termelt.
Meglepő módon úgy találták, hogy a hővezető képesség, amely az anyag elektronjainak tulajdonítható, tízszer kisebb volt, mint amit a Wiedemann-Franz törvény megjósolt.
Ennek oka úgy tűnik az, hogy az elektronok szinkronizált módon mozognak az anyagon keresztül.
„Az elektronok egymáshoz hasonlóan mozogtak, hasonlóan a folyadékhoz, ahelyett, hogy különálló részecskék lennének, mint a normál fémekben,” – mondta Wu.
„Az elektronok esetében a hő egy véletlenszerű mozgás. A normál fémek hatékonyan szállítják a hőt, mivel olyan sokféle lehetséges mikroszkopikus konfiguráció létezik, hogy az egyes elektronok átugorhatnak közöttük.”
„Ezzel szemben az elektronok összehangolt, sávszerű mozgása a vanádium-dioxidban káros a hőátadásra, mivel kevesebb konfiguráció áll rendelkezésre az elektronok számára, hogy véletlenszerűen ugorhassanak közöttük,” – tette hozzá.
Érdekes, hogy amikor a kutatók összekeverték a vanádium-dioxidot más anyagokkal, akkor „behangolhatták” mind a villamosenergia, mind a hő mennyiségét, amelyet képes vezetni, ami hihetetlenül hasznos lehet a jövőbeli alkalmazások esetében.
Például, amikor a kutatók volfrámot adtak a vanádium-dioxidhoz, csökkentették azt a hőmérsékletet, amelyen az anyag fémessé vált, és jobb hővezetővé tették.
Ez azt jelenti, hogy a vanádium-dioxid hozzájárulhat a hő elvezetéséhez egy rendszerben, de csak akkor vezeti a hőt, amikor az elér egy bizonyos hőmérsékletet. Előtte szigetelőként viselkedik.
A vanádium-dioxidnak az is egyedülálló képessége, hogy kb. 30 Celsius fokon átlátszóvá válik, de ezután az infravörös fényt 60 Celsius fok felett visszatükrözi, miközben átlátszó marad a látható fény számára.
Tehát ez azt jelenti, hogy ablaküveg bevonatként is felhasználható, amely légkondicionálás nélkül csökkenti a hőmérsékletet.
„Ez az anyag felhasználható a hőmérséklet stabilizálására,” – mondta Yang Fan.
„Hővezetőképességének beállításával az anyag hatékonyan és automatikusan eloszthatja a hőt a forró nyári napokon, mivel olyankor hővezető képességgel rendelkezik, de megakadályozza a hőveszteséget a hideg tél során, mivel alacsonyabb hőmérsékleten kisebb a hővezető képessége.”
Sokkal több kutatást kell elvégezni ezen a rejtélyes anyagon, mielőtt forgalomba hoznák, de nagyon izgalmas, hogy tudjuk, hogy ezek a bizarr tulajdonságok léteznek egy anyag esetében szobahőmérsékleten. (2)
