Egy forradalmian új anyag vezeti az áramot, de a hőt nem

2019 / 12 / 10 / Justin Viktor
Egy forradalmian új anyag vezeti az áramot, de a hőt nem
A villamosság hőtermeléssel, és hőveszteséggel jár, ám kutatók nemrég olyan fémet azonosítottak, amely hővezetés nélkül vezeti az áramot, ami rendkívül hasznos tulajdonság, és tökéletesen ellentmond az elektromos vezetők fizikájával kapcsolatos jelenlegi ismereteinknek.

Vanádiummal a legtöbben talán króm-vanádium formájában találkoztunk már életünkben, mely a franciakulcsok alapanyaga. Egy új, 2017-ben felfedezett vanádium alapú fém pedig ellentmond a Wiedemann-Franz törvénynek, amely alapvetően azt állítja, hogy a jó villamosvezetők arányosan jó hővezetők is lesznek. Ezért melegednek a motorok és az elektromos készülékek készülékek, a rendszeres használattól.

"Ez teljesen váratlan eredmény volt" - mondta Junqiao Wu,  a Berkeley Lab Anyagtudományi Osztályának (MSDvezető kutatója.

A fémes vanádium-dioxid (VO2) esetében megdőlni látszanak a jól ismert szabályok. Ez az anyag már produkált furcsa jelenségeket, átlátszó szigetelőből ugyanis vezetőképes fémmé válik 67 Celsius fok hőmérsékleten.

"A felfedezés egy tankönyvi törvény drasztikus cáfolatát mutatja, amely eddig nem ismert kivételt a hagyományos vezetők körében. Ez a felfedezés alapvető fontosságú az új vezetőanyagok alapvető elektromos viselkedésének megértése szempontjából" - tette hozzá Wu.

 

Az új felfedezés igazi haszna az lehet, ha egy napon felhasználható lesz a motorok és készülékek veszteséghőjének villamos energia formában történő visszatáplálására, de akár jobb ablakszigetelést is létrehozhatnak belőle, amely megőrzi az épületek hőmérsékletét.

A kutatók már ismertek egy maroknyi más olyan anyagot, amelyek jobban vezetik az elektromos energiát mint a hőt, ám ezen tulajdonságaikat csak több száz fokkal nulla alatti hőmérsékleten veszik fel, ami alkalmazhatatlan a hétköznapi körülmények között. A vanádium-dioxid általában csak meleg hőmérsékleten vezető, jóval a szobahőmérséklet felett, így a felhasználása sokkal praktikusabb lehet.

Az új tulajdonság jobb megértéséhez a csapat megvizsgálta az elektronok mozgását a vanádium-dioxid kristályrácsában, valamint azt, hogy mennyi hő termelődik. Meglepő módon úgy találták, hogy a hővezető képesség, amely az anyag elektronjainak tulajdonítható, tizede volt annak, mint amit a Wiedemann-Franz törvény jósolt. Ennek oka úgy tűnik, az elektronok szinkronizált mozgása az anyagban.

"Az elektronok együtt mozogtak, hasonlóan a folyadékokhoz, ahelyett, hogy különálló részecskék módjára viselkedtek volna, mint a normál fémekben" - mondta Wu.

Hőmozgás

"Az elektronok esetében a hőmozgás véletlenszerű. A normál fémek hatékonyan szállítják a hőt, mivel olyan sokféle lehetséges mikroszkopikus konfiguráció létezik, melyek között az egyes elektronok ugrálni tudnak. Ezzel szemben, az elektronok koordinált, katonai alakzatként történő mozgása a vanádium-dioxidban hátrányos a hőleadásra nézve, mivel kevesebb konfiguráció áll rendelkezésre az elektronok számára, hogy véletlenszerűen ugrálhassanak közöttük" - világította meg Wu.

Érdekes újabb felfedezés volt, hogy amikor a kutatók ötvözték a vanádium-dioxidot más anyagokkal, akkor "behangolhatták" mind a villamosenergia, mind a hő mennyiségét, amelyet képes elvezetni - ami rendkívül hasznos lehet az anyag jövőbeni alkalmazásához. Például, amikor a kutatók volfrámot adtak a vanádium-dioxidhoz, csökkentették azt a hőmérsékletet, amelyen az anyag fémessé vált, és eközben jobb hővezetővé tették.

Ez konkrét példában azt jelentheti, hogy a vanádium-dioxid hozzájárulhat egy adott rendszerben keletkező hő elvezetéséhez, ha csak akkor válik hővezetővé, amikor a rendszer elér egy bizonyos hőmérsékletet. Azt megelőzően szigetelőként viselkedik.

A vanádium-dioxidnak az is egyedülálló képessége, hogy kb. 30 Celsius fok körül átlátszóvá válik, de 60 Celsius fok felett már az infravörös fényt visszaveri, miközben  átlátszó marad a látható fény számára.

Ez azt jelentheti, hogy az anyag olyan ablaküveg bevonatként is felhasználható, amely légkondicionálás nélkül csökkenti a hőmérsékletet. "Ez az anyag igen sokoldalúan használható a hőmérséklet stabilizálására" - mondta Yang Fan.

"Hővezető képességének beállításával a VO2 hatékonyan és automatikusan eloszthatja a nyáron keletkező hőt, mivel magas hővezető képességgel rendelkezik, de meg is akadályozza a hőveszteséget a hideg télben, mivel alacsonyabb hőmérsékleten alacsony a hővezető képessége is" - zárta mondandóját Fan.

Sok további kutatást kell még elvégezni ezen a rejtélyes anyagon, mielőtt kereskedelmi forgalomba kerülhetne, de nagyon izgalmas ismerni ezeket a különös tulajdonságokat, melyek szobahőmérsékleten jelentkeznek. A kutatási eredmények Science tudományos folyóiratban jelentek meg.

(Forrás: Sciencealert Képek: Wikipédia, PXhere)


Ismerd meg a ROADSTER magazint!
AUTÓK - DESIGN - GASZTRO - KULT - UTAZÁS - TECH // Ha szereted a minőséget az életed minden területén, páratlan élmény lesz!
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.