Безплатен курс „Комуникация на науката“

Изследователи са открили метал, който е проводник на електричество без да е проводник на топлина – изключително полезно свойство, което поставя под въпрос настоящото разбиране за това как действат проводниците.

Металът противоречи на т.нар. Закон на Видеман-Франц, който най-общо гласи, че електропроводимостта и топлопроводимостта са пряко свързани и това на практика е причината двигатели и други уреди да се загряват, когато ги използваме често.

Но екип от САЩ доказва, че това не важи за метала ванадиев диоксид (VO₂) – материал, който вече е добре известен, благодарение на странната си способност да преминава от прозрачен изолатор в проводим метал при температура 67 градуса по Целзий.

„Това беше напълно неочаквано откритие“, казва водещият изследовател Junqiao Wu, от отдела по материални науки на лабораторията Бъркли.

„Това показва пробив в правило от учебниците, което се е доказало като солидно по отношение на конвенционалните проводници. Това откритие е от фундаментално значение за разбирането на основните характеристики на електропроводимостта на новите проводници.“

Разбери повече за БГ Наука:

***

Това неочаквано свойство не просто променя знанията ни за проводниците, а може да бъде изключително полезно – металът един ден може да бъде използван, за да се превърне загубената топлина от двигатели и уреди отново в електричество или да бъдат създадени щори за прозорци, които да поддържат сградите охладени.

На изследователите вече са им известни няколко други материала, които са по-добри проводници на електричество отколкото на топлина, но те проявяват тези свои свойства само при температури стотици градуси под нулата, което ги прави изключително неподходящи за някакви реални приложения. Ванадиевият диоксид от друга страна обикновено е проводник само при високи температури много над стайната температура, което означава, че би могъл да има полезни практични приложения.

За да открие странното ново свойство, екипът е наблюдавал начина, по който електроните се движат в кристалната решетка на ванадиевия диоксид, както и колко топлина се генерира.

Изненадващо, те установили, че топлопроводимостта, която би могла да бъде приписана на електроните в материала, е 10 пъти по-малка от тази, предвидена съобразно закона на Видеман-Франц.

Причината за това изглежда е синхронизираният начин, по който електроните се движат през материала.

„Електроните се движат в унисон един с друг, подобно на течност, вместо като отделни частици, както е при обикновените метали“, каза Wu.

„За електроните топлината е просто движение. Нормалните метали транспортират топлина ефективно, защото има толкова много различни възможни микроскопични конфигурации, по които отделните електрони могат да се движат.“

За разлика от това координираните движения, наподобяващи строй, при електроните на ванадиевия диоксид действат негативно върху преноса на топлина, тъй като има по-малко конфигурации на разположение на електроните“, добавя той.

Интересното е, че когато учените смесват ванадиев диоксид с други материали, те са способни да „регулират“ количеството електроенергия и топлина, които могат да бъдат проведени, което може да бъде изключително полезно за бъдещи приложения.

Например, когато изследователите добавят метала волфрам към ванадиев диоксид, те понижават температурата, при която материалът става метал, и също така го правят по-добър проводник на топлина.

Това означава, че ванадиевият диоксид може да помага за разсейването на топлината от дадена система, като провежда топлина единствено, когато достигне определена температура. Преди това той би действал като изолатор.

Ванадиевият диоксид също има уникалната способност да бъде прозрачен при температура до около 30 градуса по Целзий, но след това отразява инфрачервената светлина над 60 градуса по Целзий, докато остава прозрачен за видимата светлина.

Това означава, че той може да се използва дори като покритие за прозорци, което да намалява температурата без да има нужда от климатик.

„Този материал може да се използва, за да подпомогне стабилизирането на температурата“, казва един от изследователите, Fan Yang.

„Чрез регулиране на топлопроводимостта му, материалът може ефективно и автоматично да разсейва топлината през горещото лято, защото ще има висока топлопроводимост, но да предотвратява загубата на топлина през студената зима заради ниската си топлопроводимост при по-ниски температури.“

Още много изследвания трябва да бъдат проведени преди да може този озадачаващ материал да има търговска употреба, но е доста вълнуващо, че ние вече знаем, че съществуват тези странни свойства на материала при стайна температура.

Изследването е публикувано в Science.

Превод: Цветелина Христова

Източник: Science Alert

сп. "Българска Наука", брой 168 (Този брой е безплатен)