کشف فلزی که رسانای الکتریسیته است اما رسانای گرما نیست

محققان موفق به کشف فلزی شدند که با وجود این که رسانای جریان الکتریسیته است، جریان حرارتی را از خود عبور نمی دهد. این خاصیت عجیب در درک رفتار رساناها بسیار مفید است.

در واقع، عملکرد این فلز باقانون ویدمان-فرانتستناقض دارد. بنا بر این قانون، یک رسانای خوب جریان الکتریسیته، گرما را هم به خوبی از خود عبور می دهد. به همین دلیل وسایل برقی و لوازم خانگی در حین استفاده ی مکرر داغ می شوند.

با این حال، این تیم پژوهشی در ایالات متحده به این نتیجه رسیده است که فلز کشف شده که همان دی اکسید وانادیوم (VO2) است، از چنین روندی پیروی نمی کند.VO2ماده ای است که تا قبل از دمای ۶۷ درجه ی سانتی گراد عایق است؛ اما پس از آن خاصیت رسانایی پیدا می کند.

جانکیو وو، سرپرست این تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه علوم مواد برکلی می گوید:

این یافته کاملا غیر منتظره بود. در واقع، این کشف باعث شکست یکی از قوانین کتاب های درسی شد که در مورد رساناهای معمول صدق می کرد. ضمن این که از اهمیت اساسی برای درک رفتار عمومی رساناهای جدید برخوردار است.

این نتیجه ی غافلگیرکننده، نه تنها شناخت ما نسبت به رسانا ها را تغییر می دهد؛ بلکه می تواند کاربردهای فوق العاده ای داشته باشد. چنین فلزی این قابلیت را دارد که گرمای اتلافی موتورها و لوازم برقی را به الکتریسیته تبدیل کند یا در صنعت ساختمان باعث خنک کردن محیط داخل شود.

در حال حاضر، محققان تعداد انگشت شماری ماده ی دیگر را می شناسند که جریان الکتریسیته را بهتر از جریان حرارتی عبور می دهند؛ اما همین مواد هم چنین خاصیتی را در چند درجه زیر دمای صفر از خود نشان می دهند که در شرایط واقعی رسیدن به آن عملی نیست.

از سوی دیگر دی اکسید وانادیوم رسانایی است که در دماهای بالاتر از دمای اتاق چنین خاصیتی از خود نشان می دهد که این امر استفاده از آن را عملی تر کرده است.

کشف این ویژگی عجیب و غریب، در حالی صورت گرفت که تیم تحقیقاتی سعی داشت الکترون ها را در شبکه ی کریستالیدی اکسید وانادیومعبور دهد تا مقدار گرمای تولیدی توسط آن ها را تعیین کند.

در کمال تعجب، آن ها دریافتند که هدایت حرارتی ناشی از حرکت الکترون ها ۱۰ برابر کوچک تر از مقدار پیش بینی شده توسط قانون ویدمان-فرانتس بود. به نظر می رسد دلیل این امر حرکت هماهنگ الکترون ها در درون ساختار این مواد باشد.

وو در این خصوص می گوید:

الکترون هایی که هماهنگ با همدیگر حرکت می کردند، بیشتر از این که مانند ذرات جدا از هم در یک فلز عادی باشند، شبیه یک سیال به نظر می رسیدند. در مورد الکترون ها، گرمای تولیدشده ناشی از حرکت های تصادفی آن ها است. در خصوص عبور الکترون ها از فلزات معمول، گرما به شکل مؤثرتری منتقل می شود؛ چرا که وجود ساختارهای میکروسکوپی مختلف باعث می شود الکترون های منفرد در بین آن ها پرش کنند. در صورتی که در فلزی مثل دی اکسید وانادیوم، ساختارهای کمتری برای حرکت تصادفی الکترون ها وجود دارد.

جالب است که وقتی محققاندی اکسید وانادیومرا با مواد دیگر مخلوط می کنند، می توانند میزان الکتریسیته و گرما را تنظیم کنند که این امر در عملی کردن برنامه های آینده، فوق العاده مفید و کاربردی است.

به عنوان مثال، زمانی که محققان تنگستن را بهدی اکسید وانادیوماضافه کردند، دمای تبدیل ماده به فلز کاهش پیدا کرد و همین امر باعث شد رسانایی حرارتی، بهتر عمل کند.

این بدان معنا است کهدی اکسید وانادیوممی تواند به پراکنده کردن گرما از سیستم کمک کند و گرما را در یک دمای خاص هدایت کند. به طوری که قبل از این دما، ماده حالت عایق دارد.

علاوه بر این،دی اکسید وانادیوماین قابلیت را دارد که تا دمای ۳۰ درجه سانتی گراد شفاف باشد؛ اما پس از رسیدن به دمای ۶۰۰ درجه سانتی گراد، نور مادون قرمز را منعکس می کند.

به همین دلیل، می توان از آن به عنوان پوشش پنجره استفاده کرد تا بدون نیاز به دستگاه تهویه ی مطبوع، درجه حرارت محیط را کاهش دهد.

یکی از محققان این پژوهش به نامفن یانگمی گوید:

این ماده می تواند در جهت برقراری ثبات دمایی مفید باشد. در واقع با تنظیم هدایت حرارتی این ماده می توان در تابستان گرمای محیط را پراکنده کرد و از هوای خنک بهره مند شد و در زمستان هم از اتلاف گرما به دلیل هدایت حرارتی کم آن جلوگیری کرد.

برای تجاری سازی کاربردهای این ماده هنوز به تحقیقات بیشتری نیاز است؛ با این حال دانستن این موضوع که امکان وجود چنین خواصی برای یک ماده در دمای اتاق امکان پذیر است، هیجان انگیز خواهد بود.