فلز رسانای الکتریسیته که گرما را منتقل نمی‌کند

[Mohammad Aref 120,438]

پژوهشگران دریافتند که ماده‌ی وانادیوم دی‌اکسید قادر است بدون تولید گرما، الکتریسیته را منتقل کند. این ماده نقض قانون ویدمان-فرانز محسوب می‌شود.

 

قانونی به نام قانون ویدمان-فرانز وجود دارد که بیان می‌کند فلزاتی که رسانای خوب الکتریسیته هستند، رسانای خوب گرما نیز محسوب می‌شوند. این قانون توضیح می‌دهد چرا وسایلی مانند موتور یا تلفن‌ هوشمند وقتی برای مدت زمانی معین استفاده می‌شوند، داغ می‌شوند.

 

با این حال، یک فلز کشف شده است که این قانون را نقض می‌کند. وانادیوم دی‌اکسید می‌تواند الکتریسیته را هدایت کند و گرمایی از خود عبور ندهد. وانادیوم دی‌اکسید فلزی با خواص منحصربه‌فردی دارد. این ماده در حالت عادی عایق است؛ اما وقتی تا ۶۷ درجه‌ی سلسیوس گرم شود، تبدیل به ماده‌ای رسانا می‌شود. انحراف این ماده از قانون ویدمان-فرانز به این معنا است که گستره‌ی کاربردی وسیعی دارد.

 

گروهی از دانشمندان دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در دانشگاه برکلی-کالیفرنیا در ماه ژانویه موفق شدند این خاصیت را در وانادیم کشف کنند. پژوهشگران از مشاهده‌ی قابلیت‌های منحصربه‌فرد این ماده هیجان‌زده و شگفت‌زده شدند. ژانکیو وو، پژوهشگر ارشد و فیزیکدان از بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی می‌گوید:

 

این یافته بسیار غیر منتظره و ناقض یکی از قوانین علمی صادق برای‌ هادی‌های معمول بود. این یافته برای درک رفتار الکترونی پایه‌ی رساناهای کمیاب، اهمیتی بنیادی دارد.

 

وو و گروهش با الیویه دِلر، عضو آزمایشگاه ملی اوک ریج و استاد دانشگاه دوک تماس گرفتند تا در مورد وانادیم دی‌اکسید بیشتر بدانند. آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازی و آزمایش‌های پراش اشعه‌ی ایکس توانستند شبکه‌ی بلوری وانادیم دی‌اکسید را مشاهده و حرکت الکترون‌های آن را بررسی کنند. رسانایی گرمایی ناشی از حرکت الکترون‌ها در وانادیم دی‌اکسید ۱۰ برابر کوچک‌تر از آن چیزی است که با توجه به قانون ویدمان-فرانز باید انتظار داشت. در وانادیم دی‌اکسید، الکترون‌ها مانند مایع جاری هستند. وو این گونه توضیح می‌دهد:

 

در وانادیوم دی‌اکسید، الکترون‌ها با یک‌دیگر و مانند مایع حرکت می‌کنند و نه به‌صورت واحدهایی مجزا آنگونه که در فلزهای معمول شاهد هستیم. گرما برای الکترون‌ها حرکتی تصادفی است. گرما در فلزهای معمول به‌خوبی منتقل می‌شود؛ زیرا چینش‌های میکروسکوپی بسیار متنوعی وجود دارد که الکترون‌های منفرد می‌توانند در آن قرار بگیرند.

 

در مقابل، حرکت هماهنگ و منظم الکترون‌ها در وانادیوم دی‌اکسید چندان به انتقال حرارت منجر نمی‌شود؛ چرا که چینش‌های تصادفی کمتری در ساختار شبکه این ماده قرار دارد که الکترون‌ها وارد آن شوند.

 

اما شگفتی‌های این ماده به همین جا ختم نمی‌شود. این گروه پژوهشی دریافت که مقدار الکتریسیته و گرمایی که وانادیوم دی‌اکسید می‌تواند عبور دهد، با حضور مواد دیگر در ساختار ماده متغیر خواهد بود. به‌عنوان مثال، افزودن تنگستن فلزی دمایی که در آن وانادیوم دی‌اکسید رفتار فلزی نشان می‌دهد کاهش داد و آن را به رسانای بهتری برای گرما تبدیل کرد.

 

فن یانگ، پژوهشگر پسادکترا در آزمایشگاه برکلی و نویسنده‌ی همکار این پژوهش، می‌گوید این ماده می‌تواند برای تثبیت دما استفاده شود. یانگ توضیح می‌دهد که به کار و پژوهش بیشتری نیاز است تا بتوان از وانادیوم دی‌اکسید در محصولات تجاری استفاده کرد.

 

گروه پژوهشی اذعان می‌کند که وانادیوم دی‌اکسید می‌تواند برای حذف یا حداقل کاهش گرما در موتورها استفاده شود یا می‌تواند در تهیه‌ی پوششی برای پنجره‌ها به‌ کار رود که به مصرف بهینه‌ی انرژی در ساختمان‌ها بینجامد. با استفاده از پوشش مبتنی بر وانادیوم دی‌اکسید در پنجره‌ها می‌توان بدون استفاده از دستگاه تهویه هوا یا فن، اتاق را خنک کرد یا در زمستان اتاق‌ها را گرم نگاه داشت.

 

البته برای اثبات پتانسیل کاربرد وانادیوم دی‌اکسید در این موارد زمان نیاز است. فارغ از آنکه نتیجه چه باشد، دیدن چنین قابلیت‌های منحصر‌به‌فردی در مواد جالب است.

 

منبع: زومیت