物理學家發現一種導電但不導熱的金屬,違反導體定律!

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違反導體最基本的定律之一。

研究人員確認出一種金屬能夠導電而不導熱,一種非常有用的特性但違反我們目前對導體是如何運作的理解。

這種金屬與所謂的維德曼-夫蘭茲定律(Wiedemann-Franz Law)牴觸,這個基本上敘述好的導電體也會相對應地是好的導熱體,這就是為什麼像馬達和電器這類的東西在經常使用時會變熱。

但對於金屬二氧化釩(vanadium dioxide,VO2)來說,美國的一個研究小組證明不是這麼一回事。這種材料已經被很清楚地知道它的奇特能力,在攝氏67度(華氏152度),從透明絕緣體轉變成導電金屬。

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來自柏克萊實驗室材料科學部的首席研究員吳軍橋(Junqiao Wu)說:「這是一個完全出乎意料的發現。」

「它顯示出一個教科書定律的嚴重崩潰,已知這個定律對於傳統的導體是很吻合的。這項發現對於了解新導體的基本電子行為是相當重要的。」

這種意料之外的特性不只改變了我們對導體的了解,而且也是非常的有用。這種金屬可能有一天被用來把引擎和電器的廢熱轉回電力,甚至創造出更好的窗戶覆蓋物,來維持建築物的涼爽。

研究人員已經知道少數其他材料的導電性優於導熱性,但只能在零下數百度的溫度出現這些特性,使得它們對於任何真實世界的應用都是高度不切實際。

另一方面,二氧化釩通常只在溫度更高於室溫下成為導體,意味著它有能力更為實用。

為了揭露這個奇特的新特性,研究小組詳細觀察電子在二氧化釩晶格中移動的方式,以及產生多少熱量。

令人驚訝的是,他們發現由材料中的電子所造成的導熱性,比維德曼-夫蘭茲定律所預測的量小10倍。

對於造成這種現象的原因,看起來好像是電子移動通過材料的同步方式。

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吳說:「電子彼此一致地移動,很像是液體,而不像是一般金屬中的個別粒子。」

「對於電子來說,熱是一種隨機運動。一般金屬能有效地導熱是因為有多不同的可能微觀結構,能夠讓個別的電子在這些結構間跳躍。」

他補充:「相較之下,二氧化釩中有協調性的、像齊步行進團的電子運動,對熱傳遞是不利的,因為幾乎沒有可用的結構讓電子在其間隨機的跳躍。」

有趣的是,當研究人員把二氧化釩與其他材料混合在一起時,他們能夠’調整’導電和導熱的量,這對於未來的應用是非常的有用。

例如,當研究人員把金屬鎢加到二氧化釩時,降低了材料變成金屬的溫度,還造成它成為更好的導熱體。

這意味著二氧化釩有助於一個系統的散熱,藉由在達到特定溫度時只傳導熱量。在此之前,它是一個絕緣體。

二氧化釩還具有在大約攝氏30度(華氏86度)變成透明的獨特能力,但隨後反射高於攝氏60度(華氏140度)的紅外光,同時維持對可見光透明

因此這意味著它甚至可以被用來作為降低溫度的窗戶塗層,而不需要空調。

研究人員之一的Fan Yang說:「這種材料可以被用來協助穩定溫度。」

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「透過調整導熱性,這種材料可以在炎熱的夏天有效且自動地散熱,因為它具有高導熱性。但在寒冷的冬天則防止熱散失,因為在較低溫下的低導熱性。」

在進一步商業化之前,需要對這種謎樣的材料進行更多的研究。但令人非常興奮的是,我們現在知道這些怪異的特性存在於室溫下的材料。

這項研究發表於科學(Science)期刊

來源:ScienceAlert