Hay un conocido rompedor de normas entre los materiales, y un nuevo descubrimiento por un equipo internacional de científicos agrega más pruebas para respaldar la reputación de los no conformistas del metal. Según un nuevo estudio liderado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y de la Universidad de California, Berkeley, los electrones en dióxido de vanadio pueden conducir electricidad sin llevar a cabo calor.
El nanómetro de dióxido de vanadio (VO2), sintetizado por investigadores de Berkeley, muestra propiedades eléctricas y térmicas exóticas. En esta imagen de microscopía electrónica de barrido de color falso, se midió la conductividad térmica transportando calor de la almohadilla de fuente de calor suspendida (rojo) a la almohadilla de detección (azul). Las almohadillas son puenteadas por un VO2 nanobeam. Crédito: Junqiao Wu / Laboratorio de Berkeley
Los resultados, que se publicarán en la edición del 27 de enero de la revista Science, podrían conducir a una amplia gama de aplicaciones, como sistemas de termoeléctricas que convierten el calor inútil de motores y electrodomésticos en electricidad.
Para la mayoría de los metales, la relación entre conductividad eléctrica y térmica se rige por la ley de Wiedemann-Franz. En pocas palabras, la ley establece que los buenos conductores de electricidad son también buenos conductores del calor. No es el caso para el dióxido de Vanadio metálico, un material que ya se ha señalado por su inusual capacidad para cambiar de un aislante a un metal cuando llega a los 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 del Laboratorio de Berkeley y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California en. "Muestra una avería drástica de una ley de libros de texto que se ha sabido para ser robustos para los conductores convencionales. Este descubrimiento es de importancia fundamental para entender el comportamiento electrónico básico de los conductores novedosos".
En el curso de estudio de propiedades de dióxido de vanadio, Wu y su equipo de investigación se asociaron con Olivier Delaire en el laboratorio nacional de Oak Ridge del Departamento de energía y profesor asociado en la Universidad de Duke. Utilizando los resultados de simulaciones y experimentos de dispersión de rayos x, los investigadores fueron capaces de descubrir la proporción de conductividad térmica atribuible a la vibración del enrejado cristalino de materiales, llamado fonones y el movimiento de los electrones.
Para su sorpresa, encontraron que la conductividad térmica atribuida a los electrones es diez veces menor que lo que se esperaría de la ley de Wiedemann-Franz
"Los electrones se movían al unísono, como un fluido, en lugar de partículas individuales como en metales normales,", dijo Wu. "Para los electrones, el calor es un movimiento aleatorio. Los metales normales transportan calor eficientemente porque hay tantas diferentes posibles configuraciones microscópicas que saltan entre los electrones individuales. En cambio, el movimiento coordinado, banda de banda de los electrones en el dióxido de vanadio es perjudicial para la transferencia de calor ya que hay menos configuraciones disponibles para los electrones para saltar al azar entre ellos."
Los científicos del laboratorio de Berkeley Junqiao Wu, Fan Yang y Changhyun Ko (l-r) están trabajando en el instrumento de espectroscopía de electrones nano-Auger en Molecular Foundry, una oficina del DOE de la facilidad de usuario de la ciencia. Ellos usaron el instrumento para determinar la cantidad de tungsteno en el dióxido de tungsteno-vanadio (WVO2) nanobeams. Crédito: Marilyn Chung / Laboratorio de Berkeley
En particular, la cantidad de electricidad y calor que el dióxido de vanadio puede llevar a cabo es sintonizable mediante la mezcla con otros materiales. Cuando los investigadores doparon muestras de dióxido de vanadio monocristalino con el metal tungsteno, bajaron la temperatura de transición de la fase en la que el dióxido de vanadio se convierte en metal. Al mismo tiempo, los electrones en la fase metálica se convirtieron en mejores conductores del calor. Esto permitió a los investigadores controlar la cantidad de calor que el dióxido de vanadio puede disipar al cambiar la fase de aislador al metal y a la inversa, a temperaturas regulables.
Tales materiales pueden utilizarse para ayudar a limpiar o disipar el calor en los motores o ser desarrollado en un recubrimiento de ventana que mejora el uso eficiente de la energía en edificios, dijeron los investigadores.
"Este material podría ser utilizado para ayudar a estabilizar la temperatura," dijo el co autor del studio Fan Yang, un investigador postdoctoral en la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley, una Oficina del Usuario del Departamento de Ciencia, donde se realizó parte de la investigación. «Mediante el ajuste de su conductividad térmica, el material puede disipar el calor eficientemente y automáticamente en el verano porque tiene alta conductividad térmica, pero evitará la pérdida de calor en el invierno debido a su baja conductividad térmica a temperaturas más bajas».
El dióxido de vanadio tiene la ventaja de ser transparente por debajo de unos 30 grados centígrados (86 grados Fahrenheit) y absorción de luz infrarroja por encima de 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit).
Yang señaló que hay más preguntas que deben responderse antes de que el dióxido de vanadio pueda ser comercializado, pero dice que este estudio destaca el potencial de un material con "las propiedades eléctricas y térmicas."
Aunque hay un puñado de otros materiales además del dióxido de vanadio que pueden conducir la electricidad mejor que el calor, ésos ocurren a temperatura cientos de grados bajo cero, lo que es un reto desarrollarlo en aplicaciones del mundo real, dijeron los científicos.
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