Хорошо известно, что различного рода металлы, способные проводить электричество, в то же время довольно сильно нагреваются. Это обусловлено целым рядом химических и физических свойств материалов, но электро- и теплопроводность почти всегда «идут рука об руку». Однако, как мы знаем, в нашем мире нет ничего ничего не возможного. Например, как передает редакция издания Sciencealert, группа исследователей из лаборатории Университета Беркли (США) смогла создать металл, который отлично проводит электричество, но при это не нагревается.
Какой металл обладает уникальными свойствами?
Как сообщают ученые, новый металл (а точнее соединение металла), что проводит электричество, не проводя тепла бросает вызов нашему нынешнему пониманию того, как работают проводники. Так как само его наличие противоречит тому, что называется законом Видемана-Франца. Если не вдаваться в подробности, то данный физический закон утверждает, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Этим объясняется, например, то, что приборы, использующие для своей работы электричество, со временем нагреваются. Но не будем больше оттягивать интригу. Команда ученых из США показала, что данное явление не наблюдается в оксиде ванадия, который обладает странной способностью «переключаться» с материала, являющегося изолятором, на проводящий металл при температуре 67 градусов Цельсия.
Это было совершенно неожиданное открытие, — сказал ведущий исследователь Джункуао Ву из отдела материаловедения Лаборатории Беркли. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного принципа работы новых проводников. Новое неожиданное свойство не только изменяет то, что мы знаем о проводниках, но и может быть невероятно полезным. Например, металл однажды может быть использован для преобразования отработанного тепла от двигателей и приборов обратно в электричество.
Так что никаких физических законов оксид ванадия не нарушает. Стоит заметить, что исследователи уже знали о нескольких других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло, но они проявляют эти свойства только при температурах ниже нуля, что делает их крайне непрактичными для применения в реальной жизни. Оксид ванадия, с другой стороны, обычно является только проводником электричества при плюсовых температурах выше комнатной температуры, что означает, что он имеет быть намного более практичным. Чтобы открыть это странное свойство, команда изучила, как электроны движутся в кристаллической решетке оксида ванадия, а также то, сколько тепла в этот момент генерируется.
Удивительно, но они обнаружили, что теплопроводность, которую можно было бы приписать электронам в материале, была в 10 раз меньше той величины, которая предсказывалась законом Видемана-Франца. Причина этого, по-видимому, заключается в способе перемещения электронов через материал.
Электроны двигаются синхронно друг с другом. Как жидкость, а не как отдельные частицы, что наблюдается в обычных металлах. Для электронов теплопроводность — это случайное движение. Обычные металлы переносят тепло эффективно, потому что существует много различных возможных микроскопических конфигураций поведения электронов и они могут хаотично перемещаться. А вот скоординированное движение электронов в диоксиде ванадия наносит ущерб теплопередаче, поскольку существует меньше «возможностей для движения». При этом электропроводность в данном случае не страдает.
Интересно, что когда исследователи смешали оксид ванадия с другими металлами, они смогли «настроить» количество электричества и тепла, которое он может проводить, что может быть невероятно полезно для будущих применений. Например, когда эксперты добавили металл под названием вольфрам к оксиду ванадия, они сделали его лучшим теплопроводником.