کشف فلزی که الکتریسیته را هدایت می کند اما گرما را نه!

فیزیکدانان فلزی یافته اند که الکتریسیته را هدایت می کند، اما گرما را نه ! با این کشف، یکی از بنیادی ترین قوانین دنیای مواد رسانا به چالش کشیده شده است.

گویا آی تی – دانشمندان، فلزی یافته اند که بدون هدایت گرما، رسانای الکتریسیته است. این ویژگی مفید، درک فعلی ما از شیوه عملکرد رساناها را به چالش کشیده است.
فلز یافته شده، با قانونی به نام قانون ویدمان – فرانز در تضاد است. این قانون اساسا بیان می کند که رساناهای خوب الکتریسیته، به همان نسبت رساناهای خوبی برای گرما هم خواهند بود. به همین دلیل است که دستگاههایی مثل موتورها و لوازم و تجهیزات مختلف وقتی به طور مداوم مورد استفاده قرار می گیرند، بسیار داغ می شوند.
اما یک تیم تحقیقاتی در ایالات متحده نشان داده است که فلز وانادیم دی اکسید (VO2) این گونه نیست؛ ماده ای که در دمای ۶۷ درجه سلسیوس (۱۵۲ درجه فارنهایت) توانایی بالایی در تعویض حالت خود میان یک عایق و یک فلز رسانا دارد.

سرپرست محققان این تیم تحقیقاتی، جانیکیا وو، از گروه علوم مواد آزمایشگاه برکلی می گوید “این یافته برای ما کاملا غیرمنتظره بود”.
“این یافته ها، موجب شکست یکی از قوانین مرجعی شده است که برای توصیف رساناهای معمولی بسیار محکم و غیرقابل نقض بود. این کشف برای شناخت رفتار الکترونیکی پایه رساناهای جدید دارای اهمیت بنیادی می باشد”.
این ویژگی غیرمنتظره نه تنها دانسته های ما در مورد رساناها را تغییر می دهد، بلکه فوق العاده مفید است. یعنی روزی خواهد رسید که این فلز برای تبدیل مجدد گرمای اتلافی موتورها و لوازم مختلف به برق مورد استفاده قرار می گیرد، یا با استفاده از آن می توان پوشش های بهتری برای پنجره ها ساخت که ساختمانها را خنک نگه دارند.
محققان در حال حاضر تعداد انگشت شماری از مواد دیگر را می شناسند که الکتریسیته را بهتر از گرما هدایت می کنند، اما این مواد، این قابلیت را فقط در دماهای صد ها درجه زیر صفر از خود نشان می دهند. به همین دلیل در بسیاری از کاربردهای جهان واقعی ، غیرقابل استفاده هستند.
وانادیوم دی اکسید، در دماهای بالاتر از دمای اتاق، فقط یک رسانای الکتریسیته است. یعنی این ماده می تواند کاربردهای زیادی داشته باشد.
برای کشف این ویژگی جدید و بسیار عجیب، تیم تحقیقاتی به شیوه حرکت الکترون ها در شبکه بلور وانادیوم دی اکسید نگاه کردند و همچنین میزان گرمایی که در حین جریان یافتن الکتریسیسته در این شبکه تولید می شود را بررسی کردند.

آنها با کمال تعجب دریافتند که رسانش گرمایی که می تواند به حرکت الکترونهای موجود در این ماده نسبت داده شود، ده برابر کوچکتر از مقداری است که توسط قانون ویدمان – فرانز پیش بینی شده بود.
به نظر می رسد دلیل آن، شیوه حرکت هماهنگ الکترونها در حین عبور از میان ماده باشد.
وو می گوید “الکترون ها در وانادیوم دی اکسید در اتحاد با یکدیگر حرکت می کنند؛ بسیار شبیه یک مایع، و مانند ذرات منفرد در فلزات معمولی حرکت نمی کنند”.
“گرمای ایجاد شده در یک وسیله برقی، حاصل حرکت رندوم الکترونهاست. فلزات معمولی گرما را به شکل موثری منتقل می کنند، زیرا در آنها تعداد زیادی پیکربندی میکروسکوپیک ممکن برای الکترون های منفرد وجود دارد که الکترونها می توانند میان آنها جهش کنند”.

او اضافه می کند “اما حرکت هماهنگ و مارش گونه الکترون ها در وانادیوم دی اکسید، انتقال گرما را مختل می کند، زیرا به این ترتیب تعداد کمتری پیکربندی در دسترس الکترون ها قرار می گیرد تا بتوانند به صورت رندوم میان آنها جهش کنند”.
جالب توجه است که وقتی محققان وانادیوم دی اکسید را با مواد دیگر ترکیب کردند، توانستند مقدار الکتریسیته یا گرمایی که می تواند هدایت کند را “تنظیم کنند”. این امکان برای کاربردهای آینده بسیار مفید خواهد بود.
به عنوان مثال، وقتی محققان فلز تنگستن را به وانادیوم دی اکسید اضافه کردند و دما را به حدی پایین آوردند که ماده مخلوط به حالت فلزی در آید، دیدند این ماده به یک رسانای گرمای بهتر تبدیل شد.
این بدان معناست که وانادیوم دی اکسید می تواند به به دفع گرما از یک سیستم کمک کند، اما این فقط در صورتی اتفاق می افتد که دمای آن به یک مقدار معین رسیده باشد؛ در دماهای کمتر از آن، به عنوان یک عایق گرما عمل می کند.
وانادیوم دی اکسید به شکل منحصر به فردی در دمای حدود ۳۰ درجه سلسیوس است (۸۶ درجه فارنهایت) شفاف است. البته در دماهای بالاتر از ۶۰ درجه سلسیوس (۱۴۰ درجه فارنهایت) نور مادون قرمز را منعکس می کند، اما همچنان در برابر نور مرئی، شفاف باقی می ماند.
یعنی این ماده می تواند به عنوان یک پوشش پنجره هم به کار رود و بدون نیاز به تهویه مطبوع هوا، دمای محیط را کاهش دهد.
یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی به نام فان یانگ می گوید “این فلز می تواند برای کمک به تثبیت دما به کار رود”.
“با تنظیم رسانش گرمایی، این ماده می تواند به شکلی موثر و به صورت اتوماتیک گرما را در تابستانهای گرم دفع کند، زیرا در دماهای بالا رسانش گرمایی بالایی خواهد داشت؛ اما در زمستان های سرد، از اتلاف گرما جلوگیری می کند، زیرا رسانش گرمایی آن در دماهای پایین، بسیار کم است”.
پیش از تجاری سازی این ماده مبهم و معماگونه، باید تحقیقات بیشتری روی آن صورت گیرد، اما همین که از ویژگی های فوق العاده و عجیب این ماده در دمای اتاق اطلاع پیدا کرده ایم، بسیار هیجان انگیز است.
نتایج این تحقیق در نشریه Science منتشر شده است.