Físicos identificam metal que conduz eletricidade sem conduzir calor

Cientista identificaram um metal que possui uma propriedade incrivelmente útil que desafia nosso entendimento atual de como os condutores fu...

Cientista identificaram um metal que possui uma propriedade incrivelmente útil que desafia nosso entendimento atual de como os condutores funcionam.

O metal, encontrado em 2017, contradiz a Lei de Wiedemann-Franz, que basicamente afirma que bons condutores de eletricidade também serão proporcionalmente bons condutores de calor, e é por isso que coisas como motores e aparelhos ficam tão quentes quando você as usa normalmente.

Vários outros materiais que conduzem eletricidade melhor que o calor já são conhecidos, mas isso só ocorre em temperaturas centenas de graus abaixo de zero, o que os torna inviáveis ​​para qualquer aplicação prática.

Dióxido de vanádio metálico (VO₂)

Mas uma equipe nos EUA mostrou que esse não é o caso do dióxido de vanádio metálico (VO₂) - um material que já é conhecido por sua estranha capacidade de alternar de um isolador transparente para um metal condutor à temperatura de 67°C (152°F).

“Esta foi uma descoberta totalmente inesperada, ele mostra uma quebra drástica de uma lei de livros didáticos que é conhecida por ser robusta para condutores convencionais. Essa descoberta é de fundamental importância para a compreensão do comportamento eletrônico básico de novos condutores.”
Junqiao Wu. Pesquisador principal da Divisão de Ciências dos Materiais do Berkeley Lab em janeiro de 2017.

Essa propriedade inesperada não apenas altera o que sabemos sobre os condutores, mas também pode ser incrivelmente útil - o metal poderia um dia ser usado para converter calor desperdiçado de motores e eletrodomésticos em eletricidade, ou criar coberturas de janelas melhores para manter os edifícios resfriados.

Da esquerda para direita, Junqiao Wu,
Changhyun Ko e Fan Yang. 

Para descobrir essa propriedade bizarra, a equipe analisou a maneira como os elétrons se movem dentro da estrutura de cristal do dióxido de vanádio, além de quanto calor estava sendo gerado.

Surpreendentemente, eles descobriram que a condutividade térmica que poderia ser atribuída aos elétrons no material era 10 vezes menor do que a quantidade prevista pela Lei Wiedemann-Franz.

A razão para isso parece ser a maneira sincronizada pela qual os elétrons se movem através do material.

“Os elétrons estavam se movendo em uníssono uns com os outros, muito parecido com um fluido, em vez de partículas individuais como nos metais normais.”

“Para os elétrons, o calor é um movimento aleatório. Os metais normais transportam o calor com eficiência, porque existem tantas configurações microscópicas possíveis que os elétrons individuais podem saltar entre eles.”

“Por outro lado, o movimento coordenado de elétrons em forma de banda no dióxido de vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há menos configurações disponíveis para que os elétrons pulem aleatoriamente.”

Curiosamente, quando os pesquisadores misturaram o dióxido de vanádio com outros materiais, eles poderiam “ajustar” a quantidade de eletricidade e calor que ele poderia conduzir - o que poderia ser incrivelmente útil para futuras aplicações.

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•  Exemplo 
• Quando os pesquisadores adicionaram o tungstênio metálico ao dióxido de vanádio, eles abaixaram a temperatura na qual o material se tornou metálico e também o tornaram um melhor condutor de calor.

Isso significa que o dióxido de vanádio pode ajudar a dissipar o calor de um sistema, apenas conduzindo calor quando atinge uma certa temperatura. Antes disso, seria um isolador.

O dióxido de vanádio também tem a capacidade única de ser transparente a cerca de 30°C (86°F), mas depois reflete a luz infravermelha acima de 60°C (140°F), permanecendo transparente à luz visível .

Isso significa que pode até ser usado como revestimento de janela que reduz a temperatura sem a necessidade de ar-condicionado.

“Este material pode ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura.”
Fan Yang. Outro pesquisador do estudo.

“Ao ajustar sua condutividade térmica, o material pode dissipar o calor de maneira eficiente e automática no verão quente, porque terá alta condutividade térmica, mas evita a perda de calor no inverno frio, devido à sua baixa condutividade térmica a temperaturas mais baixas.”

Muito mais pesquisa precisa ser feita sobre esse material intrigante antes de ser comercializado, mas é bastante emocionante saber que agora essas propriedades bizarras existem em um material à temperatura ambiente.

Um artigo sobre esse material foi publicado na revista Science em 2017.

Fonte: Science Alert, Berkeley Lab
[Visto no Brasil Acadêmico]