(PhysOrg.com) -- Een systematische studie van faseveranderingen in vanadiumdioxide heeft een mysterie opgelost dat wetenschappers al tientallen jaren bezighoudt, volgens onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Wetenschappers weten dat vanadiumdioxide verschillende concurrerende fasen vertoont wanneer het werkt als een isolator bij lagere temperaturen. Echter, de exacte aard van het fasegedrag is niet begrepen sinds het onderzoek naar vanadiumdioxide in de vroege jaren zestig begon.

Alexander Tselev, een onderzoeksmedewerker van de Universiteit van Tennessee-Knoxville in samenwerking met ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, in samenwerking met Igor Luk'yanchuk van de Universiteit van Picardië in Frankrijk een theorie van de gecondenseerde materie gebruikt om het waargenomen fasegedrag van vanadiumdioxide te verklaren, een materiaal van aanzienlijk technologisch belang voor optica en elektronica.

"We ontdekten dat de concurrentie tussen verschillende fasen puur wordt aangedreven door de roostersymmetrie, "Zei Tselev. "We kwamen erachter dat het metaalfaserooster van vanadiumoxide op verschillende manieren kan 'vouwen' tijdens het afkoelen, dus wat mensen observeerden waren verschillende soorten vouwen."

Vanadiumdioxide is in de materialenwereld vooral bekend om zijn snelle en abrupte faseovergang die het materiaal in wezen transformeert van een metaal naar een isolator. De faseverandering vindt plaats bij ongeveer 68 graden Celsius.

"Deze kenmerken van elektrische geleidbaarheid maken vanadiumdioxide een uitstekende kandidaat voor talrijke toepassingen in optische, elektronische en opto-elektronische apparaten, ' zei Tselev.

Apparaten die kunnen profiteren van de ongebruikelijke eigenschappen van VO2 zijn onder meer lasers, bewegingsdetectoren en drukdetectoren, die zouden kunnen profiteren van de verhoogde gevoeligheid die wordt geboden door de eigenschapsveranderingen van vanadiumdioxide. Het materiaal wordt al gebruikt in technologieën zoals infraroodsensoren.

Onderzoekers zeiden dat hun theoretische werk zou kunnen helpen bij het begeleiden van toekomstig experimenteel onderzoek naar vanadiumdioxide en uiteindelijk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën op basis van VO ₂ .

"In de natuurkunde je wilt altijd begrijpen hoe de stof tikt, " zei Sergei Kalinin, een senior wetenschapper bij het CNMS. "Met de thermodynamische theorie kun je voorspellen hoe het materiaal zich zal gedragen in verschillende externe omstandigheden."

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemical Society Nano-letters . Het onderzoeksteam omvatte ook Ilia Ivanov, John Budai en Jonathan Tischler bij ORNL en Evgheni Strelcov en Andrei Kolmakov bij Southern Illinois University.

Het theoretische onderzoek van het team borduurt voort op eerdere experimentele ORNL-onderzoeken met microgolfbeeldvorming die aantoonden hoe spanning en veranderingen in kristalroostersymmetrie dunne geleidende draden kunnen produceren in vanadiumdioxidemonsters op nanoschaal.