Los investigadores han identificado un metal que conduce la electricidad sin conducir el calor – una propiedad increíblemente útil que desafía nuestra comprensión actual de cómo trabajan los conductores.
El metal contradice algo llamado Ley Wiedemann-Franz, que básicamente establece que los buenos conductores de electricidad también serán proporcionalmente buenos conductores de calor, por lo que cosas como motores y electrodomésticos se calientan cuando se usan regularmente.
Pero un equipo en los Estados Unidos ha demostrado que este no es el caso del Dióxido de Vanadio metálico (VO2) – un material que ya es bien conocido por su extraña capacidad de pasar de un aislante a un conductor metálico a la temperatura de 67 Grados Celsius (152 grados Fahrenheit).
«Este fue un hallazgo totalmente inesperado», dijo el investigador principal Junqiao Wu, de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley.
«Esto muestra un drástico error en los libros de texto en los cuales se establecían conceptos acerca de los conductores convencionales. Este descubrimiento es de fundamental importancia para la comprensión del comportamiento electrónico básico de los conductores novedosos».
Esta propiedad inesperada no solo cambia lo que sabemos sobre los conductores, también podría ser increíblemente útil – el metal podría un día ser utilizado para convertir el calor perdido de los motores y electrodomésticos en electricidad, o incluso crear mejores revestimientos de ventanas que mantienen los edificios frescos.
Los investigadores ya conocen un puñado de otros materiales que conducen la electricidad mejor que el calor, pero sólo muestran esas propiedades a temperaturas de cientos de grados bajo cero, lo que los hace muy poco prácticos para cualquier aplicación del mundo real.
El dióxido de vanadio, por otro lado, suele ser sólo un conductor a temperaturas cálidas muy por encima de la temperatura ambiente, lo que significa que tiene la capacidad de ser mucho más práctico.
Para descubrir esta nueva y extraña propiedad, el equipo examinó la forma en que los electrones se mueven dentro de la red cristalina del dióxido de vanadio, así como la cantidad de calor que se generaba.
Sorprendentemente, encontraron que la conductividad térmica que podría atribuirse a los electrones en el material era 10 veces menor que la cantidad prevista por la Ley Wiedemann-Franz.
La razón de esto parece ser la forma sincronizada en que los electrones se mueven a través del material.
«Los electrones estaban moviéndose al unísono entre sí, muy parecido a un fluido, en lugar de partículas individuales como en metales normales», dijo Wu.
«Para los electrones, el calor es un movimiento aleatorio, los metales normales transportan el calor eficientemente porque hay tantas configuraciones microscópicas posibles diferentes que los electrones individuales pueden saltar».
«Por el contrario, el movimiento coordinado de la banda de marchas de electrones en dióxido de vanadio es perjudicial para la transferencia de calor ya que hay menos configuraciones disponibles para que los electrones salten al azar», añadió.
Los científicos del laboratorio de Berkeley Junqiao Wu, Changhyun Ko y Fan Yang (l-r) están trabajando en el instrumento de espectroscopía de electrones nano-Auger. Cre¿édito: Marilyn Chung/Berkeley Lab
Curiosamente, cuando los investigadores mezclaron el dióxido de vanadio con otros materiales, podían «afinar» la cantidad de electricidad y calor que podía conducir, lo cual podría ser increíblemente útil para futuras aplicaciones.
Por ejemplo, cuando los investigadores añadieron tungsteno metálico al dióxido de vanadio, bajaron la temperatura a la que el material se volvió metálico, y también lo convirtieron en un mejor conductor de calor.
Eso significa que el dióxido de vanadio podría ayudar a disipar el calor de un sistema, sólo mediante la conducción de calor cuando se alcanza una cierta temperatura. Antes de eso sería un aislante.
El dióxido de vanadio también tiene la capacidad única de ser transparente a alrededor de 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), pero luego refleja la luz infrarroja por encima de 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit) mientras que permanece transparente a la luz visible.
El nanómetro de dióxido de vanadio (VO2), sintetizado por investigadores de Berkeley, muestra propiedades eléctricas y térmicas exóticas. Crédito: Junqiao Wu/Berkeley Lab
Así que significa que podría incluso ser utilizado como un revestimiento de ventana que reduce la temperatura sin la necesidad de aire acondicionado.
«Este material podría utilizarse para ayudar a estabilizar la temperatura», dijo uno de los investigadores, Fan Yang.
«Mediante el ajuste de su conductividad térmica, el material puede disipar el calor de manera eficiente y automática en el verano caliente porque tendrá alta conductividad térmica, pero evitará la pérdida de calor en el invierno frío debido a su baja conductividad térmica a temperaturas más bajas».
Debe realizarse mucha más investigación sobre este material desconcertante antes de que sea comercializado aún más, pero es bastante emocionante saber estas extrañas propiedades existen en un material a temperatura ambiente.
La investigación ha sido publicada en Science.
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