Çalışma, vanadyum dioksitin ultra düşük ısı iletkenliğine sahip olduğunu ve fizik yasalarını "çiğnediğini" buldu!
Kılavuz
Yakın zamanda, Çin Amerikan Bilim Ödülü Wu Junqiao tarafından yürütülen bilimsel bir çalışma, vanadyum dioksit materyallerinin elektrik iletirken çok az ısı ürettiğini buldu; bu, Widman-Franz yasasının beklentilerinin çok altında ve klasik fiziksel yasayı çiğniyor. Bu bilimsel keşif 27 Ocak'ta Science dergisinde yayınlandı ve motorlar ve ekipman tarafından üretilen atık ısıyı elektriğe dönüştüren bir termoelektrik sistem gibi bir dizi daha geniş uygulama getirecek.
Profesör Wu Junqiao ve bilim adamları, tungsten vanadyum oksit nanobamlarında tungsten içeriğini ölçmek için aletler kullanıyorlar.
(Resim kaynağı: Marilyn Chung / Berkeley Lab)
Widman-Franz Yasası
Widman-Franz yasası, malzeme "ısıl iletkenliği " ve "iletkenlik " arasındaki ilişki hakkındaki yasadır. Alman fizikçiler G.H. Widman ve R. Franz çok sayıda deneysel olgudan yola çıkarak birçok metalin ısıl iletkenliğinin elektriksel iletkenliğine oranının sabit olduğunu keşfetti.Bu yasaya Widman-Franz yasası denir. 1891'de H.A. Lorentz ayrıca / T oranının metalin türünden bağımsız bir sabit olduğunu ve T'nin mutlak sıcaklık olduğunu keşfetti.Bu sabit L ile ifade edilir ve Lorentz sayısı olarak adlandırılır.
Basitçe ifade etmek gerekirse, yasa, bir malzemenin elektriksel iletkenliği ne kadar iyi olursa, termal iletkenliğin o kadar iyi olduğunu belirtir.
Vanadyum dioksit
Ancak vanadyum dioksit malzemesi bir istisnadır, bu yasaya uygun değildir.
Vanadyum dioksit, faz geçiş özelliği olan bir çeşit metal oksittir.Faz geçiş sıcaklığı yaklaşık 6767'dir.Faz geçiş sıcaklığına ulaşıldığında izolatörden metale dönüşebilir.Faz geçişinden önce ve sonra transmisyondan yansımaya kızılötesi ışık üretebilir. Tersinir dönüşüm.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı Nanofaz Malzeme Bilimi Merkezi'nde, Tennessee Üniversitesi araştırma görevlisi Alexander Tseloff, Fransız bilim adamları ile işbirliği içinde, yoğuşma fiziği teorisinin yardımıyla vanadyum dioksitin faz davranışını başarıyla açıkladı. Vanadyum dioksitin heterojen rekabetinin kristal kafes simetrisinden kaynaklandığını buldular Vanadyum dioksit kristal kafes soğutulduğunda farklı şekillerde "katlanabilir" Bu nedenle, insanların gözlemlediği fenomen vanadyum dioksitin farklı olmasıdır. Katlanmış şekil.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Berkeley Lab Malzeme Bilimi Bölümü'nde fizikçi, Berkeley Kaliforniya Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nde profesör ve çalışmanın baş araştırmacısı Wu Junqiao şu yorumu yaptı:
"Bu tamamen beklenmedik bir keşif! Ders kitaplarında geleneksel iletkenler için kırılmaz olan fizik yasaları bu keşifle parçalandı. Bu keşif, yeni iletkenlerin temel elektronik davranışlarını anlamak için temelde önemlidir."
Araştırma süreci
Profesör Wu ve araştırma ekibi, vanadyum dioksitin özellikleri üzerine araştırma yapmak için ABD Enerji Bakanlığı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan Duke Üniversitesi doçenti Olivier Delaire ile işbirliği yaptı. Simülasyon ve X-ışını saçılma deneyleri yoluyla, malzemenin kafes titreşiminin (fononlar) ve elektron hareketinin termal iletkenlik üzerindeki etkisinin oranını belirlediler.
Şaşırtıcı bir şekilde, elektronların hareketinin neden olduğu termal iletkenliğin Widman-Franz yasasının beklenen değerinin onda birine ulaşmadığını buldular.
Berkeley araştırmacıları tarafından sentezlenen vanadyum dioksit nanobeam (VO2) benzersiz elektriksel ve termal özelliklere sahiptir. Yanlış renk taramalı elektron mikroskobu görüntüsünde, termal iletkenlik, kırmızı ısı kaynağı plakası ile mavi sensör plakası arasında iletilen ısının ölçülmesiyle hesaplanır. VO2 nanobamlar, iki plaka arasında ısı iletir.
(Resim kaynağı: Wu Junqiao / Berkeley Lab)
Bu fenomen için Profesör Wu şunları açıkladı:
"Elektronlar, sıradan metallerdeki tek tek parçacıklar gibi değil, sıvılar gibi hareket ettiklerinde birbirleriyle tutarlıdırlar. Elektronlar için ısı bir tür rastgele harekettir. Sıradan metaller, ısıyı etkili bir şekilde iletebilir çünkü tek bir elektron Birçok farklı olası mikroskobik form arasında geçiş yapın. Nispeten, vanadyum dioksit içindeki elektronlar, ısı iletimi için iyi olmayan, askeri bir bant gibi birbirleriyle uyum içindedir. Bunun nedeni, elektronların daha az biçimde rastgele değişebilmesidir. Yukarı. "
Özellikle vanadyum dioksitin diğer maddelerle karıştırılmasıyla elektriksel ve termal iletkenlik miktarı ayarlanabilir. Araştırmacılar, tungsten metalini tek kristal vanadyum dioksit örneğine karıştırdıklarında, vanadyum dioksit metal haline geldiğinde faz geçiş sıcaklığı daha düşük hale geldi. Aynı zamanda metal fazdaki elektronlar daha iyi ısı iletkenleri haline gelir. Bu, araştırmacıların, vanadyum dioksit bir yalıtkandan metale veya tam tersi bir faz değişimine uğradığında yayılan ısıyı kontrol etmelerine olanak tanır ve sıcaklık da ayarlanabilir.
İlgili uygulamalar
Araştırmacılar, bu malzemenin motordaki ısıyı ortadan kaldırmak veya dağıtmak veya bina enerjisinin kullanımını iyileştirmek için cam kaplamalar geliştirmek için kullanılabileceğini iddia ediyor.
Bu araştırmanın eş lideri, Berkeley Lab araştırmacısı Fan Yang şunları söyledi:
"Bu malzeme sıcaklığı stabilize etmek için kullanılabilir. Isı iletkenliği ayarlanarak malzeme, yüksek ısı iletkenliği nedeniyle sıcak yaz aylarında ısıyı verimli ve otomatik olarak dağıtabilir; ancak soğuk kış aylarında düşük sıcaklığı nedeniyle ısı kaybını önleyebilir. Zamanında düşük termal iletkenlik. "
Vanadyum dioksitin başka bir avantajı daha vardır: 30 santigrat derecenin altında şeffaftır ve 60 santigrat derecenin üzerindeki kızılötesi ışınları emebilir.
Fan Yang, vanadyum dioksitin ticarileştirilmesinden önce çözülmesi gereken bazı problemler olduğunu söyledi, ancak bu araştırma, malzemenin "tekil elektriksel ve termal özelliklerini" vurguladı. Diğer bazı malzemeler benzer özelliklere sahip olabilmesine rağmen, sıfırın altındaki yüzlerce derece koşullar altında meydana gelirler, bu nedenle gerçek ticari kullanım için zordur.
Referans
1 "Metalik vanadyum dioksitte anormal derecede düşük elektronik termal iletkenlik" Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410
[2]
Daha ileri teknolojiler ve yenilikçi ürünler için lütfen WeChat herkese açık hesabını takip edin: IntelligentThings veya yazarın kişisel WeChat ile iletişime geçin: JohnZh1984
