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物理学家发现一种导电但不导热的金属,违反导体定律!


2017/2/4  编辑:admin 来源:本站整理

研究人员确认出一种金属能够导电而不导热, 一种非常有用的特性但违反我们目前对导体是如何运作的理解。
这种金属与所谓的维德曼-夫兰兹定律(Wiedemann-Franz Law)牴触, 这个基本上叙述好的导电体也会相对应地是好的导热体, 这就是为什么像马达和电器这类的东西在经常使用时会变热。
但对于金属二氧化钒(vanadium dioxide, VO2)来说, 美国的一个研究小组证明不是这么一回事。 这种材料已经被很清楚地知道它的奇特能力, 在摄氏67度(华氏152度), 从透明绝缘体转变成导电金属。
物理学家发现一种导电但不导热的金属,违反导体定律!
来自柏克莱实验室材料科学部的首席研究员吴军桥(Junqiao Wu)说:「这是一个完全出乎意料的发现。 」
「它显示出一个教科书定律的严重崩溃, 已知这个定律对于传统的导体是很吻合的。 这项发现对于了解新导体的基本电子行为是相当重要的。 」
这种意料之外的特性不只改变了我们对导体的了解, 而且也是非常的有用。 这种金属可能有一天被用来把引擎和电器的废热转回电力, 甚至创造出更好的窗户覆盖物, 来维持建筑物的凉爽。
研究人员已经知道少数其他材料的导电性优于导热性, 但只能在零下数百度的温度出现这些特性, 使得它们对于任何真实世界的应用都是高度不切实际。
另一方面, 二氧化钒通常只在温度更高于室温下成为导体, 意味着它有能力更为实用。
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为了揭露这个奇特的新特性, 研究小组详细观察电子在二氧化钒晶格中移动的方式, 以及产生多少热量。
令人惊讶的是, 他们发现由材料中的电子所造成的导热性, 比维德曼-夫兰兹定律所预测的量小10倍。
对于造成这种现象的原因, 看起来好像是电子移动通过材料的同步方式。
吴说:「电子彼此一致地移动, 很像是液体, 而不像是一般金属中的个别粒子。 」
「对于电子来说, 热是一种随机运动。 一般金属能有效地导热是因为有多不同的可能微观结构, 能够让个别的电子在这些结构间跳跃。 」
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他补充:「相较之下, 二氧化钒中有协调性的、像齐步行进团的电子运动, 对热传递是不利的, 因为几乎没有可用的结构让电子在其间随机的跳跃。 」
有趣的是, 当研究人员把二氧化钒与其他材料混合在一起时, 他们能够’调整’导电和导热的量, 这对于未来的应用是非常的有用。
例如, 当研究人员把金属钨加到二氧化钒时, 降低了材料变成金属的温度, 还造成它成为更好的导热体。
这意味着二氧化钒有助于一个系统的散热, 藉由在达到特定温度时只传导热量。 在此之前, 它是一个绝缘体。
二氧化钒还具有在大约摄氏30度(华氏86度)变成透明的独特能力, 但随后反射高于摄氏60度(华氏140度)的红外光, 同时维持对可见光透明。
因此这意味着它甚至可以被用来作为降低温度的窗户涂层, 而不需要空调。
研究人员之一的Fan Yang说:「这种材料可以被用来协助稳定温度。 」
物理学家发现一种导电但不导热的金属,违反导体定律!
「透过调整导热性, 这种材料可以在炎热的夏天有效且自动地散热, 因为它具有高导热性。 但在寒冷的冬天则防止热散失, 因为在较低温下的低导热性。 」
在进一步商业化之前, 需要对这种谜样的材料进行更多的研究。 但令人非常兴奋的是, 我们现在知道这些怪异的特性存在于室温下的材料。
这项研究发表于科学(Science)期刊。

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