Un material incredibil conduce electricitatea, dar nu şi căldura

Cercetătorii au identificat un material care conduce electricitatea, dar nu şi căldura, o proprietate incredibil de utilă care nu respectă o lege de bază a conductivităţii materialelor.

Un material ce conduce electricitatea, dar nu şi căldura. Credit: Karl-Ludwig Poggemann/Flickr

Proprietăţile materialului descoperit de cercetători nu respectă Legea Wiedemann-Franz, care descrie relația dintre conductivitatea electrică și cea termică. Pe scurt, legea susţine că materialele care conduc electricitatea vor conduce, de asemenea, căldura, acesta fiind motivul pentru care motoarele electrice ale aparatelor pe care le utilizăm des se încălzesc.

Cu toate acestea, o echipă de cercetători din SUA a arătat că acest lucru nu este valabil în cazul dioxidului de vanadiu (VO2), un material care este deja binecunoscut pentru ciudata sa proprietate de a se transforma din izolator în conductor de electricitate la o temperatură de 67 grade Celsius.

„A fost o descoperire cu totul neașteptată care schimbă radical concepţia actuală cu privire la materialele conductoare. Această descoperire are o importanță fundamentală pentru înțelegerea proprietăţilor de bază ale acestor materiale”, a declarat cercetătorul principal Junqiao Wu din cadrul Materials Sciences Division al Lawrence Berkeley National Laboratory.

Materialul ar putea fi extrem de util pentru ca într-o bună zi să putem converti căldura degajată în timpul funcţionarii motoarelor electrice în electricitate sau pentru a crea geamuri speciale care să împiedice pătrunderea căldurii în locuinţe.

Cercetătorii ştiau că există materiale care conduc mai bine electricitatea decât căldura, dar în cazul acestora această proprietate se manifesta doar la temperaturi cu mult sub temperatura de zero grade Celsius. Din acest motiv, ele nu erau practice. În schimb, dioxidul de vanadiu este de obicei un material conductor la temperaturi cu mult mai mari decât temperatura camerei, ceea ce înseamnă că acesta poate fi mult mai practic.

Pentru a descoperi această proprietate ciudată a dioxidul de vanadiu, cercetătorii au studiat modul cum se deplasează electronii în interiorul rețelei cristaline a dioxidului de vanadiu şi cât de multă căldură este generată.

În mod surprinzător, conductivitatea termică atribuită deplasării electronilor din dioxidul de vanadiu a fost de 10 ori mai mică decât cea prezisă de Legea Wiedemann-Franz.

Cercetătorii au arătat că această ciudată proprietate a dioxidului de vanadiu se datorează faptului că electronii se deplasează sincron prin material.

„Electronii se deplasează sincron, ca un fluid, în loc să se deplaseze ca nişte particule individuale, ca în metalele obişnuite”, a declarat Wu.

Mai mult, atunci când cercetătorii au amestecat dioxidul de vanadiu cu alte materiale, ei au putut să „regleze” cantitatea de electricitate și de căldură pe care o poate conduce materialul rezultat, ceea ce ar putea fi extrem de util pentru unele aplicații viitoare.

De exemplu, atunci când cercetătorii au adăugat tungsten la dioxidul de vanadiu, ei au scăzut temperatura la care materialul devine un bun conductor electric şi au constatat, de asemenea, că materialul conduce mai bine căldura.

Acest lucru înseamnă că dioxidul de vanadiu poate ajuta la disiparea căldurii, deoarece la depăşirea unei anumite temperaturi el poate conduce căldura. Până la atingerea acelei temperaturi, dioxidul de vanadiu este doar un izolator.

Dioxidul de vanadiu are proprietatea unică de a fi transparent până la temperaturi de sub 30 de grade Celsius, dar începe să reflecte radiaţia infraroşie la temperaturi peste 60 de grade Celsius, în timp ce rămâne transparent pentru lumina vizibilă.

Acest lucru înseamnă că dioxidul de vanadiu ar putea fi utilizat sub forma unui strat protector, transparent, pentru ferestre care să reducă temperatura în locuinţe, astfel încât să nu mai avem nevoie de aer condiționat.

„Acest material ar putea fi folosit pentru stabilizarea temperaturii în locuinţe şi birouri”.

„Dioxidul de vanadiu poate disipa eficient și în mod automat căldura în timpul verilor, deoarece acesta are o conductivitate termică mai mare la temperaturi ridicate. De asemenea, el poate preveni pierderea căldurii în timpul iernilor, datorită faptului că are o conductivitatea termică mai mică la temperaturi scăzute”, a declarat Fan Yang, unul dintre cercetători.

Deşi mai sunt necesare cercetări cu privire la proprietăţile dioxidului de vanadiu, studiul cercetătorilor evidenţiază proprietățile neobişnuite ale acestui material la temperatura camerei.

Sursă: Science Alert