Um estudo liderado pelo Berkeley Lab descobriu que o Dióxido de Vanádio quebra uma Lei da condutividade do calor. Esta propriedade do dióxido do vanádio tem aplicações termoeléctricas, como os revestimentos de edifícios (janelas, telhas, telhados, etc), imagiologia (incluindo a médica da Disciplina de Biofísica), sensores e potencialmente em plataformas de memórias computacionais.
Há um conhecido desertor das regras entre os materiais, e uma nova descoberta por uma equipa internacional de cientistas acrescenta mais evidências para reforçar a reputação não-conformista deste metal. De acordo com um novo estudo conduzido por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia, em Berkeley, os electrões do Dióxido de Vanádio podem conduzir electricidade sem conduzir calor.
Para a maioria dos metais, a relação entre condutividade eléctrica e térmica é regida pela Lei Wiedemann-Franz.
Esta estabelece que a razão da contribuição electrónica da condutividade térmica (κ) para a condutividade eléctrica (σ) dum metal é proporcional à temperatura.
Simplificando, a lei estabelece que bons condutores de electricidade também são bons condutores de calor.
Mas não é esse o caso para o dióxido de vanádio metálico, um material já conhecido pela sua habilidade incomum para mudar de isolador para metal quando atinge uns agradáveis 67 graus Celsius ou 152 graus Fahrenheit.
“Esta descoberta foi totalmente inesperada”, declarou o investigador principal do estudo, Junqiao Wu, físico da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e professor de Ciências e Engenharia de Materiais da UC em Berkeley.
“Mostra uma ruptura drástica com uma conhecida lei dos livros escolares que se aplica aos condutores eléctricos convencionais.
Esta descoberta é de fundamental importância para a compreensão do comportamento eletrónico básico dos novos materiais condutores.”
Os cientistas do laboratório de Berkeley, Junqiao Wu, Changhyun Ko, e Fan Yang (l-r) trabalhando no instrumento de espectroscopia eletrónica nano-Auger na Molecular Foundry, um gabinete do DOE designado Office of Science User Facility. Eles utilizaram o instrumento para determinar a quantidade de tungsténio (também conhecido como volfrâmio) na composião dos nano-feixes de dióxido de tungsténio-vanádio (WVO2).
(Crédito: Marilyn Chung / Berkeley Lab)
Ao estudar as propriedades do Dióxido de Vanádio, Wu e a sua equipa de investigação associaram-se com Olivier Delaire do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE (Departamento de Energia) e a um professor associado da Duke University. Usando resultados de simulações e experiências de dispersão de raios-X, os investigadores lograram descobrir a proporção de condutividade térmica atribuível à vibração da estrutura cristalina do material, mediada pelos chamados fonões, e ao movimento de electrões.
Os fonões são os quanta ou as quantidades mínimas de energia que exercem trabalho, e que estão associados à vibração originada por ondas de compressão como quando ouvimos um som ou quando uma estrutura cristalina vibra. São quasi-partículas com propriedades bosónicas, de mediadores.
Para sua surpresa, descobriram que a condutividade térmica atribuída aos electrões é dez vezes menor do que a que seria prevista pela Lei de Wiedemann-Franz.
“Os electrões estavam em movimento uníssono uns com os outros, muito parecido com um fluido, em vez de se exibirem como partículas individuais dos metais normais”, referiu Wu.
”Para os electrões, o calor é um movimento aleatório. Os metais normais transportam calor eficientemente, porque há tantas diferentes configurações microscópicas prováveis entre as quais os electrões individuais podem saltar. Em contraste, o movimento coordenado tipo marcha da banda marcial executado pelos electrões no Dióxido de Vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há menos configurações disponíveis para os electrões pularem aleatoriamente.”
Notavelmente, a quantidade de electricidade e de calor que o Dióxido de Vanádio pode conduzir é ajustável misturando-o com outros materiais. Quando os investigadores doparam amostras de Dióxido de Vanádio mono-cristalino com tungsténio metálico, reduziram a temperatura de transição de fase na qual o Dióxido de Vanádio se torna metálico. Ao mesmo tempo, os electrões na fase metálica tornaram-se melhores condutores de calor. Isso permitiu aos cientistas controlar a quantidade de calor que o Dióxido de Vanádio pode dissipar ao mudar a sua fase de isolador para metal e vice-versa, em temperaturas ajustáveis.
Esses materiais podem ser usados para ajudar a limpar ou dissipar o calor em motores, ou ser desenvolvido num revestimento de janelas que melhora o uso eficiente de energia em edifícios, disseram ainda os investigadores.
“Este material poderá ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura”, disse o co-autor principal do estudo, Fan Yang, um pesquisador pós-doutorado na Molecular Foundry do Berkeley Lab, um Gabiente do DOE da Science User Facility, onde parte da pesquisa foi feita.
Os nano-feixes de Dióxido de Vanádio (VO2) sintetizados pelos investigadores de Berkeley mostram propriedades elétricas e térmicas exóticas. Nesta imagem de microscopia de varredura de cor falsa, a condutividade térmica foi medida transportando calor da almofada de fonte de calor suspensa (vermelha) para a almofada de detecção (azul). As almofadas são ligadas por um nano-feixe de VO2. (Crédito: Junqiao Wu / Laboratório de Berkeley).
“Ajustando a sua condutividade térmica, o material pode dissipar calor eficiente e automaticamente no calor do Verão, porque terá alta condutividade térmica, mas evitar a perda de calor no frio do Inverno, devido à sua baixa condutividade térmica a temperaturas mais baixas.
O Dióxido de Vanádio tem o benefício adicional de ser transparente abaixo de cerca de 30 graus Celsius (86 graus Fahrenheit), e de absorver luz infravermelha acima de 60 graus Celsius (140 graus Fahrenheit).
Yang observou que há mais perguntas que precisam de ser respondidas antes que o Dióxido de Vanádio possa ser largamente comercializado, mas disse que este estudo destaca o potencial de um material com “propriedades elétricas e térmicas exóticas”.
Embora haja um punhado de outros materiais além do Dióxido de Vanádio que podem conduzir a eletricidade melhor do que o calor, aqueles ocorrem a temperaturas centenas de graus abaixo de zero, tornando-os muito difíceis de desenvolver para aplicações do mundo real, disseram os cientistas.
Outros co-autores principais do estudo incluem Sangwook Lee da Kyungpook National University na Coreia do Sul, Kedar Hippalgaonkar no Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais em Singapura e Jiawang Hong no Instituto de Tecnologia de Pequim na China. Lee e Hippalgaonkar começaram o trabalho neste artigo científico como investigadores de pós-doutoramento na UC em Berkeley. Hong começou o seu trabalho como um investigador pós-doutoramento no Oak Ridge National Laboratory. A lista completa de autores está disponível on-line.
Relata-se o apoio adicional para este trabalho através do uso de instalações apoiadas pelo Programa de Materiais Eletrónicos na DOE’s Office of Science.
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O Lawrence Berkeley National Laboratory aborda os desafios científicos mais urgentes do mundo através do avanço da energia sustentável, protegendo a saúde humana, criando novos materiais e revelando a origem e o destino do universo. Fundado em 1931, a perícia científica do laboratório de Berkeley foi reconhecida com 13 prémios Nobel. A Universidade da Califórnia gere o Laboratório de Berkeley para o Gabinete de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. Para mais, visite http://www.lbl.gov.
O Escritório de Ciência da DOE é o maior apoiante individual da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para resolver alguns dos desafios mais prementes do nosso tempo. Para obter mais informações, visite science.energy.gov.
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Agradecimentos ao Físico Prof. Doutor Raphael Telis, pela divulgação deste artigo e pelos incontáveis ensinamentos na advocacia da Energia Nuclear como solução para uma energia segura e limpa.
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