Exotický kov pohrdá zákony: vede elektřinu, ale teplo ne  
Kovový oxid vanadičitý potvrdil pověst velmi výjimečného materiálu. Mohla by z toho být spousta užitečných aplikací.
Kovový exot oxid vanadičitý v experimentu. Kredit: Junqiao Wu/Berkeley Lab.
Kovový exot oxid vanadičitý v experimentu. Kredit: Junqiao Wu/Berkeley Lab.

Pro většinu kovů upravuje vztah elektrickou a tepelnou vodivostí empirický Wiedemannův-Franzův zákon. Jednoduše řečeno, tento zákon vyjadřuje, že materiály, které dobře vedou elektřinu, také dobře vedou teplo. Jenže to neplatí vždycky. Jak ve své nové studii, uveřejněné časopisem Science, zjistili badatelé kalifornských laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) a Kalifornské univerzity v Berkeley, jeden kov, který je už nějakou dobu známý jako materiál s exotickými vlastnostmi, může vést elektrický proud, aniž by vedl teplo.

 

Junqiao Wu (vlevo). Kredit: Marilyn Chung/Berkeley Lab.
Junqiao Wu (vlevo). Kredit: Marilyn Chung/Berkeley Lab.

Tímto exotem není nikdo jiný, než temně modrý oxid vanadičitý (VO2), který už před lety zaujal odborníky svými neobvyklým vlastnostmi. Mění totiž své charakteristiky podle podmínek prostředí, zejména teploty. Například, pokud teplota překročí 67 °C, tak se z nevodiče promění na vodivý kov. I přesto ale nový objev badatele, které vedl Junqiao Wu z LBNL, dost šokoval. Prý to vůbec nečekali. Vypadá to na přepisování učebnic a změny v našem chápání chování elektronů v exotických typech vodičů.

 

Struktura oxidu vanadičitého. Kredit: Ben Mills / Wikimedia Commons.
Struktura oxidu vanadičitého. Kredit: Ben Mills / Wikimedia Commons.

Wu s kolegy vycházeli z počítačových simulací a experimentů s rozptylem rentgenového záření na krystalové struktuře materiálu, a zjišťovali, jak se na vodivosti tepla podílejí vibrace krystalické mřížky (čili fonony) a jak se na tom podílejí pohyby elektronů. Ke svému překvapení zjistili, že vodivost tepla, který souvisí s pohybem elektronů, je u kovového oxidu vanadičitého desetkrát nižší oproti očekávání podle Wiedemannova-Franzova zákona. Jak se zdá, elektrony v oxidu vanadičitém se pohybují jako jeden celek, podobně jako kapalina. V normálních kovech se přitom elektrony pohybují jako jednotlivé částice, každý sám za sebe.


Běžné kovy vedou dobře teplo kvůli tomu, že se v nich elektrony pohybují náhodně, a každý elektron má vždy mnoho různých možností, jakým směrem se právě vydá. V kovovém oxidu vanadičitém se elektrony pohybují koordinovaně a mají k dispozici jen omezený počet možných pohybů. To velmi omezuje schopnost oxidu vanadičitého vést teplo.

 

Berkeley Lab.
Berkeley Lab.

Velmi zajímavé rovněž je, že elektrickou a tepelnou vodivost kovového oxidu vanadičitého lze nastavit smísením s jinými materiály. Když například vědci přimíchali do krystalu oxidu vanadičitého kovový wolfram, tak tím snížili teplotu potřebnou pro přechod oxidu vanadičitého z nevodiče na kov. Vzniklý materiál zároveň vedl teplo lépe, než samotný oxid vanadičitý. Tímto způsobem lze vytvářet materiály, které různě dobře vedou teplo. Pro takové materiály se hned rýsují široké možnosti využití – od technologií pro odvádění přebytečného tepla z motorů až po povlaky na okna, které zlepší hospodaření budov s teplem.


V dnešní době už sice známe i další materiály, které vedou elektřinu lépe nežli teplo, ale obvykle se to projevuje za teplot hluboko pod nulou. To samozřejmě značně komplikuje snahy o nějaké praktické využití. S oxidem vanadičitým by to mělo jít snadněji. Další výhoda oxidu vanadičitého spočívá v tom, že se za teplot pod 30 °C stává průhledným, kdežto při teplotách nad 60 °C zase pohlcuje infračervené záření. Wu s kolegy připouštějí, že ještě budou muset vyřešit řadu otázek, než dojde na komerční využití oxidu vanadičitého. Jejich výzkum ale ukazuje, že tenhle exotický kov je doopravdy slibný.

Literatura
Berkeley Lab 26. 1. 2017, Science 355: 371-374, Wikipedia (Vanadium(IV) oxide).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 18.02.2017
Tisk článku

Roma Mater 1 - Anderson P.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 228 Kč
cena: 225 Kč
Roma Mater 1
Anderson P.
Související články:

V exotickém materiálu mizí elektrony jako Alenka v králičí noře     Autor: Stanislav Mihulka (13.03.2016)
Dočkáme se elektroniky z genetického materiálu?     Autor: Stanislav Mihulka (09.12.2016)
S nanokeramikou ke světlým zítřkům využití jádra     Autor: Josef Pazdera (12.12.2016)



Diskuze:

Sklo propouští IR ne UV

Stanislav Florian,2017-02-19 17:39:34

Sklo propouští IR nepropouští UV.
Článek pracuje s pojmem, že VO2 je kov, jistě ve smyslu že má elektrickou vodivost blízkou kovům.
Kov má krystalickou mřížku a volné elektrony, což umožňuje kujnost, tažnost, tvorbu slitin atd.
Grafen je extrémně dobrý vodič elektřiny a neslyšel jsem, že by byl vydáván za kov.

Odpovědět


Re: Sklo propouští IR ne UV

Josef Hrncirik,2017-02-19 18:09:27

Propustí NIR řekněme do 2 um. Pak skleníkový efekt.
Při 300K je tepelné záření do 5 um velmi slabé.
Většina energie jde mezi 5-16 um. Při 16 um mají i speciální optické materiály Ge běžné tloušťky propustnost méně než 20%

Odpovědět


Nopopraská to exoticky? Obě fáze mají různé hustoty!

Josef Hrncirik,2017-02-19 19:04:17

Odpovědět


Re: Nopopraská to exoticky? Obě fáze mají různé hustoty!

Milan Krnic,2017-02-19 19:37:13

Když to odpovídajícím způsobem naprogramujete, popraská to tak, jak chcete.

Odpovědět

Nevodič-polovodič-exotický polovodič-exotický polokov-polokov-kov; špatný vodič elektřiny i tepla; Tenká vrstva na okně je jen tenká (nevýznamná) tepelná bariéra, pokud řízeně nemění propustnost světla či IR; sklo vždy má skleníkový efekt

Josef Hrncirik,2017-02-19 09:44:53

Odpovědět


Přes sci-hub jsem se dostal do Science, ne však do supplements. Zajímavé je, že vodivosti a termoelektrický koef. změřili na vlákénku 1/4x1/4x250 um. Metal vodivost 8.10**5 S/m jako nichrom, izolant jen 160x horší

Josef Hrncirik,2017-02-19 17:04:43

Kolmo na vlákno to neměřili, ani nepočítali.
Nadopováním 4,5% W to má tepelnou vodivost cca 2/3 nedopovaného, el. se nemění.
Oproti sklu to má tepelnou vodivost jen 4x větší, oproti oceli 40x menší, hliníku 200x.
Možná extrémní napětí (místo ohřevu) by mohlo snížit propustnost pro IR, ale o tom se v článku nepíše, navíc sklo samotné IR nepropustí samo o sobě.

Odpovědět


Trochu černého humoru. Největší tepelnou vodivost má nevodivý diamant a grafen podél vrstvy (je-li bez poruch)

Josef Hrncirik,2017-02-19 18:14:29

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni