کشف فلزی که رسانای الکتریسیته است اما رسانای گرما نیست

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

در واقع، عملکرد این فلز با قانون ویدمان-فرانتس تناقض دارد. بنا بر این قانون، یک رسانای خوب جریان الکتریسیته، گرما را هم به‌خوبی از خود عبور می‌دهد. به همین دلیل وسایل برقی و لوازم خانگی در حین استفاده‌ی مکرر داغ می‌شوند.

با این حال، این تیم پژوهشی در ایالات متحده به این نتیجه رسیده‌ است که فلز کشف‌شده که همان دی‌اکسید وانادیوم (VO2) است، از چنین روندی پیروی نمی‌کند. VO2 ماده‌ای است که تا قبل از دمای ۶۷ درجه‌ی سانتی‌گراد عایق است؛ اما پس از آن خاصیت رسانایی پیدا می‌کند.

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

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

این نتیجه‌ی غافلگیرکننده، نه‌تنها شناخت ما نسبت به رسانا‌ها را تغییر می‌دهد؛ بلکه می‌تواند کاربردهای فوق‌العاده‌ای 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 انگشت‌شماری ماده‌ی دیگر را می‌شناسند که جریان الکتریسیته را بهتر از جریان حرارتی عبور می‌دهند؛ اما همین مواد هم چنین خاصیتی را در چند درجه زیر دمای صفر از خود نشان می‌دهند که در شرایط واقعی رسیدن به آن عملی نیست.

از سوی دیگر دی‌اکسید وانادیوم رسانایی است که در دماهای بالاتر از دمای اتاق چنین خاصیتی از خود نشان می‌دهد که این امر استفاده از آن را عملی‌تر کرده است.

کشف این ویژگی عجیب و غریب، در حالی صورت گرفت که تیم تحقیقاتی سعی داشت الکترون‌ها را در شبکه‌ی کریستالی دی‌اکسید وانادیوم عبور دهد تا مقدار گرمای تولیدی توسط آن‌ها را تعیین کند.

در کمال تعجب، آن‌ها دریافتند که هدایت حرارتی ناشی از حرکت الکترون‌ها ۱۰ برابر کوچک‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده توسط قانون ویدمان-فرانتس بود. به نظر می‌رسد دلیل این امر حرکت هماهنگ الکترون‌ها در درون ساختار این مواد باشد.

وو در این خصوص می‌گوید:

 الکترون‌هایی که هماهنگ با همدیگر حرکت می‌کردند، بیشتر از این‌که مانند ذرات جدا از هم در یک فلز عادی باشند، شبیه یک سیال به نظر می‌رسیدند. در مورد الکترون‌ها، گرمای تولیدشده ناشی از حرکت‌های تصادفی آن‌ها است. در خصوص عبور الکترون‌ها از فلزات معمول، گرما به شکل مؤثرتری منتقل می‌شود؛ چرا که وجود ساختارهای میکروسکوپی مختلف باعث می‌شود الکترون‌های منفرد در بین آن‌ها پرش کنند. در صورتی که در فلزی مثل دی‌اکسید وانادیوم، ساختارهای کمتری برای حرکت تصادفی الکترون‌ها وجود دارد.

جالب است که وقتی محققان دی‌اکسید وانادیوم را با مواد دیگر مخلوط می‌کنند، می‌توانند میزان الکتریسیته و گرما را تنظیم کنند که این امر در عملی کردن برنامه‌های آینده، فوق‌العاده مفید و کاربردی است.

به‌عنوان مثال، زمانی که محققان تنگستن را به دی‌اکسید وانادیوم اضافه کردند، دمای تبدیل ماده به فلز کاهش پیدا کرد و همین امر باعث شد رسانایی حرارتی، بهتر عمل کند.

این بدان معنا است که دی‌اکسید وانادیوم می‌تواند به پراکنده کردن گرما از سیستم کمک کند و گرما را در یک دمای خاص هدایت کند. به‌طوری که قبل از این دما، ماده حالت عایق دارد.

علاوه بر این، دی‌اکسید وانادیوم این قابلیت را دارد که تا دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد شفاف باشد؛ اما پس از رسیدن به دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد، نور مادون قرمز را منعکس می‌کند.

به همین دلیل، می‌توان از آن به‌عنوان پوشش پنجره استفاده کرد تا بدون نیاز به دستگاه تهویه‌ی مطبوع، درجه حرارت محیط را کاهش دهد. 

یکی از محققان این پژوهش به نام فن یانگ می‌گوید:

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

برای تجاری‌سازی 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 امکان‌پذیر است، هیجان‌انگیز خواهد بود.