Przewodzi prąd, ale nie ciepło

[KopalniaWiedzy.pl 349]

Specjaliści z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że metaliczny dwutlenek wanadu przeczy kolejnemu znanemu prawu fizycznemu. Okazuje się bowiem, że przewodzi on elektryczność bez jednoczesnego przewodzenia ciepła.

Dla większości metali zależność pomiędzy przewodnictwem cieplnym a elektrycznym jest opisana za pomocą prawa Wiedemanna-Franza, które mówi, że w dowolnym metalu stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego jest wprost proporcjonalny do temperatury. Jednak, jak się okazało, prawo to nie odnosi się do dwutlenku wanadu, materiału znanego choćby z tego, że już w temperaturze 67 stopni Celsjusza zmienia się z izolatora w metal.

To było zupełnie niespodziewane odkrycie. To całkowite odejście od przyjętego prawa fizycznego, które wielokrotnie udowodniło swoje zastosowanie w przypadku standardowych przewodników. Odkrycie to ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia podstawowych właściwości nowych przewodników - mówi główny autor badań profesor Junquiao Wu.

Uczeni badając właściwości dwutlenku wanadu wykorzystali zarówno symulacje komputerowe jak i technikę rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, które pozwalają na badanie przewodnictwa cieplnego związanego z wibracjami struktury krystalicznej oraz ruchem elektronów. Ku zdumieniu eksperymentatorów okazało się, że przewodnictwo cieplne zależne od elektronów jest 10-krotnie mniejsze niż wynikałoby to z prawa Wiedemanna-Franza. Elektrony poruszały się zgodnie względem siebie, jak płyn, zamiast poruszać się jak indywidualne cząstki, tak jak w metalach. [...] Metale efektywnie transportują ciepło, gdyż występuje w nich tak wiele możliwych mikroskopijnych konfiguracji, że elektrony swobodnie pomiędzy nimi przeskakują. Skoordynowany ruch elektronów w dwutlenku wanadu ogranicza transport ciepła, gdyż jest mniej konfiguracji, pomiędzy którymi elektrony mogą swobodnie się przemieszczać.

Bardzo interesującą cechę dwutlenku wanadu jest fakt, że mieszając ten materiał z innymi można manipulować jego przewodnictwem ciepłym i elektrycznym. Gdy naukowcy domieszkowali wolfram do pojedynczego kryształu dwutlenku wanadu, obniżyli temperaturę przemiany fazowej, w której materiał staje się metalem. Jednocześnie elektrony w fazie metalicznej lepiej przenosiły ciepło. Dzięki temu, manipulując temperaturą kryształu, naukowcy mogli decydować, jak wiele ciepła będzie on rozpraszał. Ten i podobne materiały mogą zostać użyte do przechwytywania i wykorzystywania ciepła odpadowego z silników czy do pokrycia szyb w budynkach, co pozwoli na efektywniejsze używanie w nich energii.

Możemy go użyć do ustabilizowania temperatury. Po odpowiednim dobraniu przewodnictwa cieplnego materiał może efektywnie rozpraszać ciepło w lecie, gdyż będzie charakteryzował się wysokim przewodnictwem w wysokich temperaturach, a w zimie, w niskich temperaturach, będzie zatrzymywał ciepło wewnątrz budynku - mówi Fan Yang z LBNL.

Dodatkową zaletą dwutlenku wanadu jest fakt, że w temperaturze poniżej około 30 stopni Celsjusza jest on przezroczysty, a powyżej 60 stopni absorbuje podczerwień. Znamy też inne materiały, które transportują ciepło lepiej niż elektryczność, ale działają one w bardzo niskich temperaturach, przez co trudno je zastosować w praktyce.

« powrót do artykułu

[rahl 26]

 

 

Jednak, jak się okazało, prawo to nie odnosi się do dwutlenku wanadu, materiału znanego choćby z tego, że już w temperaturze 67 stopni Celsjusza zmienia się z izolatora w metal.

Nic dziwnego, bo prawo to dotyczy metali a nie tlenków metali, których właściwości najczęściej znacznie się różnią. 

[thikim 118]

Można by spróbować zbudować cieplny "tranzystor"

[Guest Astro]

 

 

metaliczny dwutlenek wanadu przeczy kolejnemu znanemu prawu fizycznemu

 

Fizyka wcale nie twierdzi, że to "prawo" jest słuszne. Kilka lat temu zostało ono ostatecznie obalone nawet dla metali.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Wiedemanna-Franza

Wydaje mi się, że chyba zbyt często dokonujemy pewnych skrótów (sam to czynię ). Zapewne lepiej mówić "metaliczny X" niż

 

 

zmienia się z izolatora w metal

Tu byłoby zapewne poprawnie "zmienia się w przewodnik" albo "uzyskuje własności metaliczne".

[TrzyGrosze 67]

Kilka lat temu zostało ono ostatecznie obalone nawet dla metali.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Wiedemanna-Franza

 

To prawo obaliła...nasza Wiki,

która poniżej podtytułu "Obalenie prawa" rzecze:

C. L. Kane i Matthew Fisher obliczyli, że w przypadku układów przestrzennych z elektronami ograniczonymi do pojedynczego łańcucha (do jednego wymiaru; długości) atomów metalu, prawo może zostać znacząco naruszone[5].

 

co już nawet takiemu jak ja laikowi sugeruje, że " nie działa przy wyjątkach",

i dalej:

Według tych przewidywań, prawo obalili eksperymentalnie naukowcy...[1]

 

a jak jest w źródle [1]?

- gross violation,

 

a jak w eng.wiki brzmi odpowiednik polskiego " Obalenie prawa":

- Limitations of the theory.

Edited January 28, 2017 by TrzyGrosze

[thikim 118]

 

 

C. L. Kane i Matthew Fisher obliczyli, że w przypadku układów przestrzennych z elektronami ograniczonymi do pojedynczego łańcucha (do jednego wymiaru; długości) atomów metalu, prawo może zostać znacząco naruszone

Po pierwsze obliczenia, po drugie (powiązane z pierwszym) może.
A tu jest realizacja praktyczna. I to jest różnica.

[TrzyGrosze 67]

Po pierwsze obliczenia, po drugie (powiązane z pierwszym) może.

A tu jest realizacja praktyczna. I to jest różnica.

A pofatygowałeś się do źródła o " realizacji praktycznej"? Sami badacze, nic o obaleniu nie wiedzą: http://www.nature.com/articles/ncomms1406

Edited January 28, 2017 by TrzyGrosze

[thikim 118]

A gdzie ja napisałem o obaleniu?

Próbujesz zaprzeczyć temu że badania przeprowadzono praktycznie a nie tylko symulowano? Symulować można wiele. Dopiero realizacja praktyczna czyli, doświadczenie plus pomiar dają konkretne wyniki.

Edited January 28, 2017 by thikim

[TrzyGrosze 67]

Ja tylko skupiłem się tylko na wnioskach z doświadczenia, które polska Wiki nadinterpretowała i wydawało mi się, że to kwestionujesz.

Edited January 28, 2017 by TrzyGrosze

[Guest Astro]

Nie bardzo rozumiem. Wiki i po polsku, i po angielsku podaje namiary na publikację z 2011 (Wakeham et al.), która jest pracą doświadczalną:

In 2011, N. Wakeham et al. found that the ratio of the thermal and electrical Hall conductivities in the metallic phase of quasi-one-dimensional Li_0.9Mo₆O₁₇ diverges with decreasing temperature, reaching a value five orders of magnitude larger than that found in conventional metals obeying the Wiedemann-Franz law.