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研究发现二氧化钒超低热导率

导读


  最近,美国华裔科学奖吴军桥领衔的一项科学研究发现二氧化钒材料在导电时,产生的热量十分微小,远低于威德曼-弗朗兹定律的预期,打破了该经典物理定律这项科学发现发表于1月27日的《科学》杂志上,它将带来一些列更广泛的应用,例如一种热电系统,它可以将引擎和设备产生的废热转化为电能。


吴军桥教授和科学家们在使用仪器测量钨钒氧化物纳米梁中钨的含量。

(图片来源:Marilyn Chung/伯克利实验室)



威德曼-弗朗兹定律


  威德曼-弗朗兹定律,是关于材料热导率λ电导率σ」之间的关系的定律。德国物理学家G.H.威德曼和R.弗朗兹于由大量实验事实发现,许多金属的热导率和电导率的比值都是一个常数,这一规律称为威德曼一弗朗兹定律。1891年H.A.洛伦兹进一步发现,比值λ/σT是与金属种类无关的常数,T是绝对温度,这常数用L表示,称洛伦兹数。




  简单点说,定律说明材料的导电性能越好,那么导热性能也越好良好。


二氧化钒


  然而,二氧化钒材料却是一个例外,它并不遵守这一定律。


  二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物,其相变温度为67℃左右,在达到相变温度时可以从绝缘体变化为金属,相变前后其对红外光可产生由透射向反射的可逆转变。


  在美国橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心,美国田纳西大学研究助理亚历山大·特瑟勒夫与法国科学家合作,借助凝聚物理学理论成功地解释了二氧化钒的相行为。他们发现二氧化钒发生的多相竞争现象是由晶格对称所引起的,在冷却时二氧化钒晶格能够以不同的方式发生“折叠”,因此人们所观察到的现象是二氧化钒不同的折叠形态。


(图片来源:维基百科)


  伯克利实验室材料科学部门的物理学家、加州大学伯克利分校材料科学和工程系教授、这项研究首席调查员
吴军桥评论说:


        “这是一个完全意想不到的发现!教科书上对于传统导体来说牢不可破的物理定律,由于这项发现而瓦解了。这项发现对于理解新颖的导体的基本电子行为,具有根本的重要意义。”


研究过程


  吴教授和他领衔的研究团队与来自美国能源部橡树岭国家实验室的杜克大学副教授 Olivier Delaire 合作,展开了二氧化钒特性的研究。通过仿真和X射线散射实验,他们梳理出材料的晶格振动(声子)和电子运动,对于热导率的影响比率


  令他们感到惊讶的是,他们发现由电子运动引起的热导率,还未达到威德曼-弗朗兹定律的期望值的十分之一。


  对于这个现象,吴教授如此解释:


       “电子在运动时具有相互一致性,就像液体一样,而不像普通金属中的单个粒子。对于电子而言,热量是一种随机运动。普通金属可以有效地传导热量,是由于单个电子可以在许多不同可能性的微观形态之间跳转。相对而言,二氧化钒中的电子,彼此协调一致,就像军乐队一样,对于热量传导不利。这是由于电子可以随机切换的形态变少了。”


  尤其是,通过让二氧化钒与其他物质混合,可以调节其导电和导热的数量。当研究人员在单晶二氧化钒样本中掺入金属钨时,二氧化钒变成金属时的相变温度变低了。同时,金属相中的电子变成更好的导热体。这使得二氧化钒从绝缘体向金属进行相变时,研究人员可以控制散发的热量,反之亦然,温度也可以调节。


相关应用


  研究人员称,这种材料可以用于消除或者散发引擎中的热量,或者开发玻璃涂层,提高建筑能量的利用率


  这项研究的合作领导者,伯克利实验室的研究人员杨凡(音译)称:


  “这项材料可以用于稳定温度,通过调谐热导率,材料可以在炎热的夏天高效、自动地散热,因为它具有高热导率;但是在寒冷的冬天时,可以防止热量损耗,因为它低温时的低热导率。”


  二氧化钒还有一项优势:在30摄氏度以下时是透明的,在60摄氏度以上时可以吸收红外线。


  杨凡表示,在二氧化钒商用之前,还有一些问题有待解决,但是这项研究突出了该材料“奇异的电学和热学性能”。其他一些材料虽然也能具备类似特性,但是它们发生在大概零下数百度的条件下,所以很难进行真实商用。


参考资料

      【1】"Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide" Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410

       【2】http://newscenter.lbl.gov/2017/01/26/electricity-not-heat-flows-in-vanadium-dioxide/