C'è un noto trasgressore tra i materiali, e una nuova scoperta di un team internazionale di scienziati aggiunge ulteriori prove a sostegno della reputazione anticonformista del metallo. Secondo un nuovo studio condotto da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy e dell'Università della California, Berkeley, gli elettroni nel biossido di vanadio possono condurre elettricità senza condurre calore.

Le scoperte, da pubblicare nel numero del 27 gennaio della rivista Scienza , potrebbe portare a una vasta gamma di applicazioni, come i sistemi termoelettrici che convertono il calore di scarto dei motori e degli elettrodomestici in elettricità.

Per la maggior parte dei metalli, il rapporto tra conducibilità elettrica e termica è regolato dalla legge di Wiedemann-Franz. In poche parole, la legge afferma che i buoni conduttori di elettricità sono anche buoni conduttori di calore. Non è il caso del biossido di vanadio metallico, un materiale già noto per la sua insolita capacità di passare da isolante a metallo quando raggiunge un mite 67 gradi Celsius, o 152 gradi Fahrenheit.

"Questa è stata una scoperta del tutto inaspettata, " ha detto il ricercatore principale dello studio Junqiao Wu, un fisico presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di scienza e ingegneria dei materiali all'Università di Berkeley. "Mostra una drastica rottura di una legge da manuale che è nota per essere robusta per i conduttori convenzionali. Questa scoperta è di fondamentale importanza per comprendere il comportamento elettronico di base dei nuovi conduttori".

Nel corso dello studio delle proprietà del biossido di vanadio, Wu e il suo team di ricerca hanno collaborato con Olivier Delaire presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE e un professore associato presso la Duke University. Utilizzando i risultati delle simulazioni e degli esperimenti di diffusione dei raggi X, i ricercatori sono stati in grado di scoprire la proporzione di conduttività termica attribuibile alla vibrazione del reticolo cristallino del materiale, chiamati fononi, e al movimento degli elettroni.

Con loro sorpresa, hanno scoperto che la conduttività termica attribuita agli elettroni è dieci volte inferiore a quella che ci si aspetterebbe dalla legge di Wiedemann-Franz.

"Gli elettroni si muovevano all'unisono tra loro, molto simile a un fluido, invece che come singole particelle come nei metalli normali, " disse Wu. "Per gli elettroni, il calore è un movimento casuale. I metalli normali trasportano il calore in modo efficiente perché ci sono così tante diverse possibili configurazioni microscopiche tra le quali i singoli elettroni possono saltare. In contrasto, il coordinato, Il movimento a banda di marcia degli elettroni nel biossido di vanadio è dannoso per il trasferimento di calore poiché ci sono meno configurazioni disponibili per far saltare gli elettroni in modo casuale".

In particolare, la quantità di elettricità e calore che il biossido di vanadio può condurre è regolabile mescolandolo con altri materiali. Quando i ricercatori hanno drogato campioni di biossido di vanadio a cristallo singolo con il tungsteno metallico, hanno abbassato la temperatura di transizione di fase alla quale il biossido di vanadio diventa metallico. Allo stesso tempo, gli elettroni nella fase metallica divennero migliori conduttori di calore. Ciò ha permesso ai ricercatori di controllare la quantità di calore che il biossido di vanadio può dissipare commutando la sua fase da isolante a metallo e viceversa, a temperature regolabili.

Tali materiali possono essere utilizzati per aiutare a recuperare o dissipare il calore nei motori, o essere sviluppato in un rivestimento per finestre che migliora l'uso efficiente dell'energia negli edifici, hanno detto i ricercatori.

"Questo materiale potrebbe essere utilizzato per aiutare a stabilizzare la temperatura, ", ha affermato l'autore principale dello studio Fan Yang, un ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, un DOE Office of Science User Facility dove sono state fatte alcune delle ricerche. "Regolando la sua conduttività termica, il materiale può dissipare in modo efficiente e automatico il calore nella calda estate perché avrà un'elevata conduttività termica, ma prevenire la perdita di calore nel freddo inverno a causa della sua bassa conduttività termica a temperature più basse."

Il biossido di vanadio ha l'ulteriore vantaggio di essere trasparente al di sotto di circa 30 gradi Celsius (86 gradi Fahrenheit), e assorbe la luce infrarossa sopra i 60 gradi Celsius (140 gradi Fahrenheit).

Yang ha notato che ci sono più domande a cui è necessario rispondere prima che il biossido di vanadio possa essere commercializzato, ma ha detto che questo studio mette in evidenza il potenziale di un materiale con "proprietà elettriche e termiche esotiche".

Mentre ci sono una manciata di altri materiali oltre al biossido di vanadio che possono condurre l'elettricità meglio del calore, quelli si verificano a temperature di centinaia di gradi sotto lo zero, rendendo difficile lo sviluppo in applicazioni del mondo reale, hanno detto gli scienziati.