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Il metallo che conduce elettricità ma non il calore

I ricercatori hanno identificato un metallo che conduce l’elettricità senza condurre calore, una proprietà incredibilmente utile che sfida la nostra attuale comprensione del funzionamento dei conduttori:

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Il metallo, trovato nel 2017, contraddice qualcosa chiamato la legge Wiedemann-Franz , che in sostanza afferma che i buoni conduttori di elettricità saranno anche buoni conduttori di calore in proporzione, motivo per cui cose come i motori e gli apparecchi diventano così caldi quando li usi regolarmente.  Ma un team negli Stati Uniti ha dimostrato che questo non è il caso del biossido di vanadio metallico (VO 2 ), un materiale che è già ben noto per la sua strana capacità di passare da un isolante trasparente a un metallo conduttivo alla temperatura di 67 gradi Celsius (152 gradi Fahrenheit).  Questa è stata una scoperta totalmente inaspettata”, ha detto il ricercatore capo Junqiao Wu  della divisione Scienza dei materiali del Berkeley Lab nel gennaio 2017. Mostra una drastica suddivisione di una legge da manuale che è stata riconosciuta robusta per i conduttori convenzionali. Questa scoperta è di fondamentale importanza per comprendere il comportamento elettronico di base dei nuovi conduttori“. Non solo questa inaspettata proprietà cambia ciò che sappiamo dei conduttori, ma potrebbe anche essere incredibilmente utile: un giorno il metallo potrebbe essere usato per convertire il calore disperso da motori ed elettrodomestici in elettricità, o persino creare migliori rivestimenti per finestre che mantengano freschi gli edifici:

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I ricercatori erano già a conoscenza di una manciata di altri materiali che conducono l’elettricità meglio del calore, ma mostrano solo quelle proprietà a temperature di centinaia di gradi inferiori allo zero, il che li rende altamente poco pratici per qualsiasi applicazione nel mondo reale. Il biossido di vanadio, d’altra parte, di solito è solo un conduttore a temperature calde ben al di sopra della temperatura ambiente, il che significa che ha la capacità di essere molto più pratico. Per scoprire questa bizzarra proprietà, il team ha esaminato il modo in cui gli elettroni si muovono all’interno del reticolo cristallino del biossido di vanadio, nonché la quantità di calore generata. Sorprendentemente, hanno scoperto che la conducibilità termica che poteva essere attribuita agli elettroni nel materiale era 10 volte più piccola di quella quantità prevista dalla Legge Wiedemann-Franz. La ragione di ciò sembra essere il modo sincronizzato in cui gli elettroni si muovono attraverso il materiale. “Gli elettroni si muovevano all’unisono, un po ‘come un fluido, anziché come singole particelle come nei metalli normali”, ha detto Wu. Per gli elettroni, il calore è un movimento casuale. I metalli normali trasportano il calore in modo efficiente perché ci sono così tante diverse configurazioni microscopiche possibili tra i singoli elettroni.”

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Nanostars di ossido di vanadio (IV)

“Al contrario, il movimento coordinato simile a una banda in marcia di elettroni nel biossido di vanadio è dannoso per il trasferimento di calore in quanto ci sono meno configurazioni disponibili per gli elettroni che saltano casualmente tra loro”, ha aggiunto. È interessante notare che, quando i ricercatori hanno mescolato il biossido di vanadio con altri materiali, hanno potuto “sintonizzare” la quantità di elettricità e calore che potrebbe condurre, il che potrebbe essere incredibilmente utile per le applicazioni future. Ad esempio, quando i ricercatori hanno aggiunto il tungsteno metallico al biossido di vanadio, hanno abbassato la temperatura alla quale il materiale è diventato metallico e lo hanno anche reso un migliore conduttore di calore. Ciò significa che il biossido di vanadio potrebbe aiutare a dissipare il calore da un sistema, conducendo calore solo quando raggiunge una certa temperatura. Prima di allora sarebbe stato un isolante.

Il biossido di vanadio ha anche la capacità unica di essere trasparente a circa 30 gradi Celsius (86 gradi Fahrenheit), ma poi riflette la luce infrarossa sopra i 60 gradi Celsius (140 gradi Fahrenheit)  rimanendo trasparente alla luce visibileCiò significa che potrebbe anche essere usato come rivestimento per finestre che riduce la temperatura senza la necessità di aria condizionata.  “Questo materiale potrebbe essere usato per aiutare a stabilizzare la temperatura”, ha detto uno dei ricercatori, Fan Yang“Sintonizzando la sua conduttività termica, il materiale può dissipare in modo efficiente e automatico il calore durante l’estate calda perché avrà un’alta conduttività termica, ma previene la perdita di calore nel freddo inverno a causa della sua bassa conduttività termica a temperature più basse.” Molto più ricerca deve essere fatta su questo materiale sconcertante prima che venga commercializzato ulteriormente, ma è piuttosto eccitante che ora sappiamo che queste bizzarre proprietà esistono in un materiale a temperatura ambiente. La ricerca è stata  pubblicata su  Science  nel 2017.

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