Nano feixes de dióxido de vanádio (VO2) sintetizados por pesquisadores de Berkeley mostram propriedades elétricas e térmicas exóticas. Nesta imagem de microscopia eletrônica de varredura com cores falsas, a condutividade térmica foi medida pelo transporte de calor da almofada da fonte de calor suspensa (vermelha) para a almofada de detecção (azul). Os pads são interligados por um nanobeam de VO2. Crédito:Junqiao Wu / Berkeley Lab
Existe um conhecido quebrador de regras entre os materiais, e uma nova descoberta por uma equipe internacional de cientistas adiciona mais evidências para apoiar a reputação não-conformista do metal. De acordo com um novo estudo conduzido por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia, Berkeley, elétrons no dióxido de vanádio podem conduzir eletricidade sem conduzir calor.
As evidências, a ser publicado na edição de 27 de janeiro da revista Ciência , pode levar a uma ampla gama de aplicações, como sistemas termoelétricos que convertem calor residual de motores e eletrodomésticos em eletricidade.
Para a maioria dos metais, a relação entre a condutividade elétrica e térmica é regida pela Lei Wiedemann-Franz. Simplificando, a lei afirma que bons condutores de eletricidade também são bons condutores de calor. Esse não é o caso do dióxido de vanádio metálico, um material já conhecido por sua capacidade incomum de mudar de um isolante para um metal quando atinge amenos 67 graus Celsius, ou 152 graus Fahrenheit.
"Esta foi uma descoberta totalmente inesperada, "disse o investigador principal do estudo Junqiao Wu, um físico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley. "Isso mostra um colapso drástico de uma lei de livro que é conhecida por ser robusta para condutores convencionais. Esta descoberta é de importância fundamental para a compreensão do comportamento eletrônico básico de novos condutores."
Durante o estudo das propriedades do dióxido de vanádio, Wu e sua equipe de pesquisa fizeram parceria com Olivier Delaire no Oak Ridge National Laboratory do DOE e um professor associado da Duke University. Usando resultados de simulações e experimentos de espalhamento de raios-X, os pesquisadores foram capazes de descobrir a proporção de condutividade térmica atribuível à vibração da estrutura cristalina do material, chamados fônons, e para o movimento dos elétrons.
Para sua surpresa, eles descobriram que a condutividade térmica atribuída aos elétrons é dez vezes menor do que o que seria esperado da Lei de Wiedemann-Franz.
Junqiao Wu, cientistas do Berkeley Lab, Fan Yang, e Changhyun Ko (l-r) estão trabalhando no instrumento de espectroscopia de elétrons nano-Auger na Fundição Molecular, um DOE Office of Science User Facility. Eles usaram o instrumento para determinar a quantidade de tungstênio nos nanofuxos de dióxido de tungstênio-vanádio (WVO2). Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
"Os elétrons se moviam em uníssono, muito parecido com um fluido, em vez de partículas individuais como em metais normais, "disse Wu." Para elétrons, o calor é um movimento aleatório. Os metais normais transportam calor de forma eficiente porque existem tantas configurações microscópicas possíveis diferentes entre as quais os elétrons individuais podem saltar. Em contraste, o coordenado, O movimento semelhante a uma banda de marcha dos elétrons no dióxido de vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há menos configurações disponíveis para os elétrons saltarem aleatoriamente entre eles. "
Notavelmente, a quantidade de eletricidade e calor que o dióxido de vanádio pode conduzir é ajustável misturando-o com outros materiais. Quando os pesquisadores doparam amostras de dióxido de vanádio de cristal único com o metal de tungstênio, eles baixaram a temperatura de transição de fase na qual o dióxido de vanádio se torna metálico. Ao mesmo tempo, os elétrons na fase metálica tornaram-se melhores condutores de calor. Isso permitiu aos pesquisadores controlar a quantidade de calor que o dióxido de vanádio pode dissipar, mudando sua fase de isolante para metal e vice-versa. em temperaturas ajustáveis.
Esses materiais podem ser usados para ajudar a limpar ou dissipar o calor nos motores, ou ser desenvolvido em um revestimento de janela que melhora o uso eficiente de energia em edifícios, disseram os pesquisadores.
“Este material pode ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura, "disse o co-autor do estudo Fan Yang, um pesquisador de pós-doutorado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Office of Science User Facility onde algumas das pesquisas foram feitas. "Ajustando sua condutividade térmica, o material pode dissipar calor de forma eficiente e automática no verão quente porque terá alta condutividade térmica, mas evite a perda de calor no inverno frio por causa de sua baixa condutividade térmica em temperaturas mais baixas. "
O dióxido de vanádio tem o benefício adicional de ser transparente abaixo de cerca de 30 graus Celsius (86 graus Fahrenheit), e absorvente de luz infravermelha acima de 60 graus Celsius (140 graus Fahrenheit).
Yang observou que há mais perguntas que precisam ser respondidas antes que o dióxido de vanádio possa ser comercializado, mas disse que este estudo destaca o potencial de um material com "propriedades elétricas e térmicas exóticas".
Embora haja um punhado de outros materiais além do dióxido de vanádio que podem conduzir eletricidade melhor do que calor, aqueles ocorrem em temperaturas centenas de graus abaixo de zero, tornando difícil desenvolver em aplicativos do mundo real, disseram os cientistas.
