Hay un conocido rompedor de reglas entre los materiales, y un nuevo descubrimiento de un equipo internacional de científicos agrega más evidencia para respaldar la reputación inconformista del metal. Según un nuevo estudio dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y de la Universidad de California, Berkeley, los electrones en el dióxido de vanadio pueden conducir electricidad sin conducir calor.

Los resultados, que se publicará en la edición del 27 de enero de la revista Ciencias , podría dar lugar a una amplia gama de aplicaciones, como los sistemas termoeléctricos que convierten el calor residual de los motores y electrodomésticos en electricidad.

Para la mayoría de los metales, la relación entre la conductividad eléctrica y térmica se rige por la ley de Wiedemann-Franz. Simplemente pon, la ley establece que los buenos conductores de electricidad también son buenos conductores de calor. Ese no es el caso del dióxido de vanadio metálico, un material que ya se destaca por su inusual capacidad para cambiar de un aislante a un metal cuando alcanza los suaves 67 grados Celsius, o 152 grados Fahrenheit.

"Este fue un hallazgo totalmente inesperado, "dijo el investigador principal del estudio, Junqiao Wu, un físico en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y un profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley. "Muestra una ruptura drástica de una ley de libros de texto que se sabe que es robusta para los conductores convencionales. Este descubrimiento es de fundamental importancia para comprender el comportamiento electrónico básico de los conductores novedosos".

En el curso del estudio de las propiedades del dióxido de vanadio, Wu y su equipo de investigación se asociaron con Olivier Delaire en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE y profesor asociado en la Universidad de Duke. Utilizando resultados de simulaciones y experimentos de dispersión de rayos X, los investigadores pudieron determinar la proporción de conductividad térmica atribuible a la vibración de la red cristalina del material, llamados fonones, y al movimiento de electrones.

Para su sorpresa, encontraron que la conductividad térmica atribuida a los electrones es diez veces menor de lo que se esperaría de la ley de Wiedemann-Franz.

"Los electrones se movían al unísono entre sí, muy parecido a un fluido, en lugar de como partículas individuales como en los metales normales, "dijo Wu." Para electrones, el calor es un movimiento aleatorio. Los metales normales transportan el calor de manera eficiente porque hay tantas configuraciones microscópicas posibles diferentes entre las que los electrones individuales pueden saltar. A diferencia de, el coordinado, El movimiento similar a una banda de marcha de los electrones en el dióxido de vanadio es perjudicial para la transferencia de calor, ya que hay menos configuraciones disponibles para que los electrones salten al azar ".

Notablemente, la cantidad de electricidad y calor que puede conducir el dióxido de vanadio se puede sintonizar mezclándolo con otros materiales. Cuando los investigadores doparon muestras de dióxido de vanadio monocristalino con tungsteno metálico, bajaron la temperatura de transición de fase a la que el dióxido de vanadio se vuelve metálico. Al mismo tiempo, los electrones de la fase metálica se convirtieron en mejores conductores de calor. Esto permitió a los investigadores controlar la cantidad de calor que el dióxido de vanadio puede disipar cambiando su fase de aislante a metal y viceversa. a temperaturas sintonizables.

Dichos materiales se pueden utilizar para ayudar a eliminar o disipar el calor en los motores, o convertirse en un revestimiento de ventana que mejore el uso eficiente de la energía en los edificios, dijeron los investigadores.

"Este material podría usarse para ayudar a estabilizar la temperatura, "dijo el coautor principal del estudio, Fan Yang, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE donde se realizaron algunas de las investigaciones. "Al ajustar su conductividad térmica, el material puede disipar el calor de manera eficiente y automática en el caluroso verano porque tendrá una alta conductividad térmica, pero evita la pérdida de calor en el frío invierno debido a su baja conductividad térmica a temperaturas más bajas ".

El dióxido de vanadio tiene el beneficio adicional de ser transparente por debajo de aproximadamente 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), y absorbente de luz infrarroja por encima de 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit).

Yang señaló que hay más preguntas que deben responderse antes de que se pueda comercializar el dióxido de vanadio. pero dijo que este estudio destaca el potencial de un material con "propiedades eléctricas y térmicas exóticas".

Si bien hay un puñado de otros materiales además del dióxido de vanadio que pueden conducir la electricidad mejor que el calor, aquellos ocurren a temperaturas de cientos de grados bajo cero, lo que dificulta el desarrollo en aplicaciones del mundo real, dijeron los científicos.