Er is een bekende regelovertreder onder materialen, en een nieuwe ontdekking door een internationaal team van wetenschappers voegt meer bewijs toe om de non-conformistische reputatie van het metaal te ondersteunen. Volgens een nieuwe studie onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en van de University of California, Berkeley, elektronen in vanadiumdioxide kunnen elektriciteit geleiden zonder warmte te geleiden.

De bevindingen, om te worden gepubliceerd in het nummer van 27 januari van het tijdschrift Wetenschap , kan leiden tot een breed scala aan toepassingen, zoals thermo-elektrische systemen die restwarmte van motoren en apparaten omzetten in elektriciteit.

Voor de meeste metalen, de relatie tussen elektrische en thermische geleidbaarheid wordt bepaald door de Wet van Wiedemann-Franz. Simpel gezegd, de wet stelt dat goede geleiders van elektriciteit ook goede geleiders van warmte zijn. Dat is niet het geval voor metallisch vanadiumdioxide, een materiaal dat al bekend staat om zijn ongebruikelijke vermogen om over te schakelen van een isolator naar een metaal wanneer het een zwoele 67 graden Celsius bereikt, of 152 graden Fahrenheit.

"Dit was een totaal onverwachte bevinding, " zei hoofdonderzoeker Junqiao Wu van de studie, een fysicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een UC Berkeley-professor in materiaalwetenschap en -techniek. "Het toont een drastische ineenstorting van een leerboekwet waarvan bekend is dat deze robuust is voor conventionele geleiders. Deze ontdekking is van fundamenteel belang voor het begrijpen van het fundamentele elektronische gedrag van nieuwe geleiders."

Tijdens het bestuderen van de eigenschappen van vanadiumdioxide, Wu en zijn onderzoeksteam werkten samen met Olivier Delaire van het Oak Ridge National Laboratory van DOE en een universitair hoofddocent aan de Duke University. Met behulp van resultaten van simulaties en röntgenverstrooiingsexperimenten, de onderzoekers waren in staat om het aandeel van de thermische geleidbaarheid te achterhalen dat te wijten is aan de vibratie van het kristalrooster van het materiaal, genaamd fononen, en de beweging van elektronen.

Tot hun verbazing, ze ontdekten dat de thermische geleidbaarheid die aan de elektronen wordt toegeschreven tien keer kleiner is dan wat zou worden verwacht van de Wiedemann-Franz-wet.

"De elektronen bewogen in harmonie met elkaar, net als een vloeistof, in plaats van als individuele deeltjes zoals in normale metalen, "zei Wu. "Voor elektronen, warmte is een willekeurige beweging. Normale metalen transporteren warmte efficiënt omdat er zoveel verschillende mogelijke microscopische configuraties zijn waar de individuele elektronen tussen kunnen springen. In tegenstelling tot, de gecoördineerde, marching-band-achtige beweging van elektronen in vanadiumdioxide is schadelijk voor de warmteoverdracht, omdat er minder configuraties beschikbaar zijn waar de elektronen willekeurig tussen kunnen springen."

Opmerkelijk, de hoeveelheid elektriciteit en warmte die vanadiumdioxide kan geleiden is instelbaar door het te mengen met andere materialen. Toen de onderzoekers eenkristal vanadiumdioxidemonsters doopten met het metaalwolfraam, ze verlaagden de faseovergangstemperatuur waarbij vanadiumdioxide metallisch wordt. Tegelijkertijd, de elektronen in de metaalfase werden betere warmtegeleiders. Hierdoor konden de onderzoekers de hoeveelheid warmte regelen die vanadiumdioxide kan afvoeren door de fase van isolator naar metaal te schakelen en vice versa, bij instelbare temperaturen.

Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om de warmte in motoren op te vangen of af te voeren, of worden ontwikkeld tot een raamcoating die het efficiënt gebruik van energie in gebouwen verbetert, aldus de onderzoekers.

"Dit materiaal kan worden gebruikt om de temperatuur te stabiliseren, " zei de co-hoofdauteur van de studie, Fan Yang, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE Office of Science User Facility waar een deel van het onderzoek is gedaan. "Door de thermische geleidbaarheid af te stemmen, het materiaal kan in de hete zomer efficiënt en automatisch warmte afvoeren omdat het een hoge thermische geleidbaarheid heeft, maar voorkom warmteverlies in de koude winter vanwege de lage thermische geleidbaarheid bij lagere temperaturen."

Vanadiumdioxide heeft het extra voordeel dat het transparant is onder ongeveer 30 graden Celsius (86 graden Fahrenheit), en absorberend van infrarood licht boven 60 graden Celsius (140 graden Fahrenheit).

Yang merkte op dat er meer vragen moeten worden beantwoord voordat vanadiumdioxide op de markt kan worden gebracht, maar zei dat deze studie het potentieel van een materiaal met "exotische elektrische en thermische eigenschappen" benadrukt.

Hoewel er naast vanadiumdioxide nog een handvol andere materialen zijn die elektriciteit beter kunnen geleiden dan warmte, die ontstaan ​​bij temperaturen van honderden graden onder nul, waardoor het een uitdaging is om je te ontwikkelen tot real-world applicaties, zeiden de wetenschappers.