Til dette metal, elektricitetsstrømme, men ikke varmen

Der er en kendt regelbrud blandt materialer, og en ny opdagelse fra et internationalt hold af videnskabsmænd tilføjer flere beviser for at understøtte metallets nonkonforme omdømme. Ifølge en ny undersøgelse ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og ved University of California, Berkeley, elektroner i vanadiumdioxid kan lede elektricitet uden at lede varme.

Fundene, vil blive offentliggjort i 27. januar-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab , kan føre til en bred vifte af applikationer, såsom termoelektriske systemer, der omdanner spildvarme fra motorer og apparater til elektricitet.

For de fleste metaller, forholdet mellem elektrisk og termisk ledningsevne er underlagt Wiedemann-Franz-loven. Kort fortalt, loven siger, at gode ledere af elektricitet også er gode varmeledere. Det er ikke tilfældet for metallisk vanadiumdioxid, et materiale, der allerede er kendt for dets usædvanlige evne til at skifte fra en isolator til et metal, når det når en lune 67 grader Celsius, eller 152 grader Fahrenheit.

"Dette var et fuldstændig uventet fund, " sagde undersøgelsens hovedefterforsker Junqiao Wu, en fysiker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og en UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik. "Det viser et drastisk sammenbrud af en lærebogslov, som har været kendt for at være robust for konventionelle dirigenter. Denne opdagelse er af fundamental betydning for at forstå den grundlæggende elektroniske adfærd hos nye dirigenter."

I løbet af at studere vanadiumdioxids egenskaber, Wu og hans forskerhold samarbejdede med Olivier Delaire ved DOE's Oak Ridge National Laboratory og en lektor ved Duke University. Ved at bruge resultater fra simuleringer og røntgenspredningsforsøg, forskerne var i stand til at aflæse andelen af ​​termisk ledningsevne, der kan tilskrives vibrationen af ​​materialets krystalgitter, kaldet fononer, og til bevægelse af elektroner.

Til deres overraskelse, de fandt ud af, at den termiske ledningsevne, der tilskrives elektronerne, er ti gange mindre, end hvad man ville forvente af Wiedemann-Franz-loven.

"Elektronerne bevægede sig i samklang med hinanden, meget som en væske, i stedet for som individuelle partikler som i normale metaller, " sagde Wu. "For elektroner, varme er en tilfældig bevægelse. Normale metaller transporterer varme effektivt, fordi der er så mange forskellige mulige mikroskopiske konfigurationer, som de enkelte elektroner kan springe imellem. I modsætning, de koordinerede, En marchbåndslignende bevægelse af elektroner i vanadiumdioxid er skadelig for varmeoverførslen, da der er færre konfigurationer tilgængelige for elektronerne at hoppe tilfældigt imellem."

Især mængden af ​​elektricitet og varme, som vanadiumdioxid kan lede, kan justeres ved at blande det med andre materialer. Da forskerne dopede enkeltkrystal vanadiumdioxidprøver med metallet wolfram, de sænkede faseovergangstemperaturen, ved hvilken vanadiumdioxid bliver metallisk. På samme tid, elektronerne i den metalliske fase blev bedre varmeledere. Dette gjorde det muligt for forskerne at kontrollere mængden af ​​varme, som vanadiumdioxid kan sprede ved at skifte dens fase fra isolator til metal og omvendt, ved indstillelige temperaturer.

Sådanne materialer kan bruges til at hjælpe med at fjerne eller sprede varmen i motorer, eller udvikles til en vinduesbelægning, der forbedrer den effektive energianvendelse i bygninger, sagde forskerne.

"Dette materiale kan bruges til at stabilisere temperaturen, " sagde studielederforfatter Fan Yang, en postdoc forsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility, hvor noget af forskningen blev udført. "Ved at justere dens varmeledningsevne, materialet kan effektivt og automatisk aflede varme i den varme sommer, fordi det vil have høj varmeledningsevne, men forhindre varmetab i den kolde vinter på grund af dens lave varmeledningsevne ved lavere temperaturer."

Vanadiumdioxid har den ekstra fordel, at det er gennemsigtigt under omkring 30 grader Celsius (86 grader Fahrenheit), og absorberer infrarødt lys over 60 grader Celsius (140 grader Fahrenheit).

Yang bemærkede, at der er flere spørgsmål, der skal besvares, før vanadiumdioxid kan kommercialiseres, men sagde, at denne undersøgelse fremhæver potentialet i et materiale med "eksotiske elektriske og termiske egenskaber."

Mens der er en håndfuld andre materialer udover vanadiumdioxid, der kan lede elektricitet bedre end varme, de forekommer ved temperaturer hundredvis af grader under nul, gør det udfordrende at udvikle sig til virkelige applikationer, sagde forskerne.