Det finns en känd regelbrytare bland material, och en ny upptäckt av ett internationellt team av forskare lägger till fler bevis för att säkerhetskopiera metallens icke -konformistiska rykte. Enligt en ny studie som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och vid University of California, Berkeley, elektroner i vanadiumdioxid kan leda elektricitet utan att leda värme.

Resultaten, publiceras i tidningen 27 januari Vetenskap , kan leda till ett brett spektrum av applikationer, såsom termoelektriska system som omvandlar spillvärme från motorer och apparater till elektricitet.

För de flesta metaller, förhållandet mellan elektrisk och värmeledningsförmåga styrs av Wiedemann-Franz-lagen. Enkelt uttryckt, lagen säger att goda ledare för el också är goda värmeledare. Så är inte fallet för metallisk vanadiumdioxid, ett material som redan är känt för sin ovanliga förmåga att byta från en isolator till en metall när den når en varm 67 grader Celsius, eller 152 grader Fahrenheit.

"Detta var ett helt oväntat fynd, "sade studiens huvudutredare Junqiao Wu, en fysiker vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Det visar en drastisk nedbrytning av en lärobokslag som har varit känd för att vara robust för konventionella ledare. Denna upptäckt är av grundläggande betydelse för att förstå det grundläggande elektroniska beteendet hos nya ledare."

Under studiet av vanadiumdioxidegenskaper, Wu och hans forskargrupp samarbetade med Olivier Delaire vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory och en docent vid Duke University. Använda resultat från simuleringar och röntgenspridningsexperiment, forskarna kunde reta ut andelen värmeledningsförmåga som kan hänföras till vibrationen i materialets kristallgitter, kallade fononer, och till elektronernas rörelse.

Till deras förvåning, de fann att värmeledningsförmågan som tillskrivs elektronerna är tio gånger mindre än vad man kan förvänta sig av Wiedemann-Franz-lagen.

"Elektronerna rörde sig i samklang med varandra, ungefär som en vätska, istället för som enskilda partiklar som i vanliga metaller, "sa Wu." För elektroner, värme är en slumpmässig rörelse. Normala metaller transporterar värme effektivt eftersom det finns så många olika möjliga mikroskopiska konfigurationer som de enskilda elektronerna kan hoppa mellan. I kontrast, den samordnade, marscherande bandliknande rörelser av elektroner i vanadiumdioxid skadar värmeöverföringen eftersom det finns färre konfigurationer tillgängliga för elektronerna att slumpmässigt hoppa mellan. "

I synnerhet, mängden elektricitet och värme som vanadiumdioxid kan leda kan justeras genom att blanda den med andra material. När forskarna dopade enkristall vanadiumdioxidprover med metallvolfram, de sänkte fasövergångstemperaturen vid vilken vanadiumdioxid blir metallisk. På samma gång, elektronerna i metallfasen blev bättre värmeledare. Detta gjorde det möjligt för forskarna att kontrollera mängden värme som vanadiumdioxid kan släppa ut genom att byta dess fas från isolator till metall och vice versa, vid justerbara temperaturer.

Sådana material kan användas för att hjälpa till att rensa eller sprida värmen i motorer, eller utvecklas till en fönsterbeläggning som förbättrar effektiv energianvändning i byggnader, sa forskarna.

"Detta material kan användas för att stabilisera temperaturen, "sade författare till studien Fan Yang, en postdoktor vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility där en del av forskningen gjordes. "Genom att justera dess värmeledningsförmåga, materialet kan effektivt och automatiskt sprida värme under den varma sommaren eftersom det kommer att ha hög värmeledningsförmåga, men förhindra värmeförlust under den kalla vintern på grund av dess låga värmeledningsförmåga vid lägre temperaturer. "

Vanadiumdioxid har den extra fördelen att vara transparent under cirka 30 grader Celsius (86 grader Fahrenheit), och absorberande av infrarött ljus över 60 grader Celsius (140 grader Fahrenheit).

Yang noterade att det finns fler frågor som måste besvaras innan vanadiumdioxid kan kommersialiseras, men sa att denna studie belyser potentialen hos ett material med "exotiska elektriska och termiska egenskaper".

Även om det finns en handfull andra material förutom vanadiumdioxid som kan leda elektricitet bättre än värme, de uppstår vid temperaturer hundratals grader under noll, gör det utmanande att utvecklas till verkliga applikationer, sa forskarna.