> CAS號數(shù)據(jù)庫 > 12036-21-4 > 12036-21-4 / 研究發(fā)現(xiàn)二氧化釩超低熱導(dǎo)率，“打破”物理定律！
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最近，美國華裔科學(xué)獎吳軍橋領(lǐng)銜的一項(xiàng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)二氧化釩材料在導(dǎo)電時，產(chǎn)生的熱量十分微小，遠(yuǎn)低于威德曼-弗朗茲定律的預(yù)期，打破了該經(jīng)典物理定律。這項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1月27日的《科學(xué)》雜志上，它將帶來一些列更廣泛的應(yīng)用，例如一種熱電系統(tǒng)，它可以將引擎和設(shè)備產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為電能。
威德曼-弗朗茲定律，是關(guān)于材料「熱導(dǎo)率λ」與「電導(dǎo)率σ」之間的關(guān)系的定律。德國物理學(xué)家G.H.威德曼和R．弗朗茲于由大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)現(xiàn)，許多金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的比值都是一個常數(shù)，這一規(guī)律稱為威德曼一弗朗茲定律。1891年H.A.洛倫茲進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，比值λ/σT是與金屬種類無關(guān)的常數(shù)，T是絕對溫度，這常數(shù)用L表示，稱洛倫茲數(shù)。
簡單點(diǎn)說，定律說明材料的導(dǎo)電性能越好，那么導(dǎo)熱性能也越好良好。
然而，二氧化釩材料卻是一個例外，它并不遵守這一定律。
二氧化釩是一種具有相變性質(zhì)的金屬氧化物，其相變溫度為67℃左右，在達(dá)到相變溫度時可以從絕緣體變化為金屬，相變前后其對紅外光可產(chǎn)生由透射向反射的可逆轉(zhuǎn)變。
在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室納米相材料科學(xué)中心，美國田納西大學(xué)研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國科學(xué)家合作，借助凝聚物理學(xué)理論成功地解釋了二氧化釩的相行為。他們發(fā)現(xiàn)二氧化釩發(fā)生的多相競爭現(xiàn)象是由晶格對稱所引起的，在冷卻時二氧化釩晶格能夠以不同的方式發(fā)生“折疊”，因此人們所觀察到的現(xiàn)象是二氧化釩不同的折疊形態(tài)。
（圖片來源：維基百科）
伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門的物理學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)和工程系教授、這項(xiàng)研究首席調(diào)查員吳軍橋評論說：
“這是一個完全意想不到的發(fā)現(xiàn)！教科書上對于傳統(tǒng)導(dǎo)體來說牢不可破的物理定律，由于這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)而瓦解了。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對于理解新穎的導(dǎo)體的基本電子行為，具有根本的重要意義?！?/p>
吳教授和他領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)與來自美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的杜克大學(xué)副教授Olivier Delaire合作，展開了二氧化釩特性的研究。通過仿真和X射線散射實(shí)驗(yàn)，他們梳理出材料的晶格振動（聲子）和電子運(yùn)動，對于熱導(dǎo)率的影響比率。
令他們感到驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)由電子運(yùn)動引起的熱導(dǎo)率，還未達(dá)到威德曼-弗朗茲定律的期望值的十分之一。
由伯克利研究人員合成的二氧化釩納米梁（VO2），具有奇異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。在假彩色掃描電子顯微鏡圖像中，導(dǎo)熱系數(shù)通過從紅色的熱源板導(dǎo)藍(lán)色的感知板之間傳導(dǎo)的熱量測量計(jì)算而來。兩個板之間由VO2納米梁傳導(dǎo)熱量。
（圖片來源：吳軍橋/伯克利實(shí)驗(yàn)室）
對于這個現(xiàn)象，吳教授如此解釋：
“電子在運(yùn)動時具有相互一致性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的單個粒子。對于電子而言，熱量是一種隨機(jī)運(yùn)動。普通金屬可以有效地傳導(dǎo)熱量，是由于單個電子可以在許多不同可能性的微觀形態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。相對而言，二氧化釩中的電子，彼此協(xié)調(diào)一致，就像軍樂隊(duì)一樣，對于熱量傳導(dǎo)不利。這是由于電子可以隨機(jī)切換的形態(tài)變少了。”
尤其是，通過讓二氧化釩與其他物質(zhì)混合，可以調(diào)節(jié)其導(dǎo)電和導(dǎo)熱的數(shù)量。當(dāng)研究人員在單晶二氧化釩樣本中摻入金屬鎢時，二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時，金屬相中的電子變成更好的導(dǎo)熱體。這使得二氧化釩從絕緣體向金屬進(jìn)行相變時，研究人員可以控制散發(fā)的熱量，反之亦然，溫度也可以調(diào)節(jié)。
研究人員稱，這種材料可以用于消除或者散發(fā)引擎中的熱量，或者開發(fā)玻璃涂層，提高建筑能量的利用率。
這項(xiàng)研究的合作領(lǐng)導(dǎo)者，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員楊凡（音譯）稱：
“這項(xiàng)材料可以用于穩(wěn)定溫度，通過調(diào)諧熱導(dǎo)率，材料可以在炎熱的夏天高效、自動地散熱，因?yàn)樗哂懈邿釋?dǎo)率；但是在寒冷的冬天時，可以防止熱量損耗，因?yàn)樗蜏貢r的低熱導(dǎo)率?！?/p>
二氧化釩還有一項(xiàng)優(yōu)勢：在30攝氏度以下時是透明的，在60攝氏度以上時可以吸收紅外線。
楊凡表示，在二氧化釩商用之前，還有一些問題有待解決，但是這項(xiàng)研究突出了該材料“奇異的電學(xué)和熱學(xué)性能”。其他一些材料雖然也能具備類似特性，但是它們發(fā)生在大概零下數(shù)百度的條件下，所以很難進(jìn)行真實(shí)商用。
【1】"Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide"Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410
【2】https://newscenter.lbl.gov/2017/01/26/electricity-not-heat-flows-in-vanadium-dioxide/