A villamosság hőtermeléssel, és hőveszteséggel jár, ám kutatók nemrég olyan fémes anyagot azonosítottak, amely hővezetés nélkül vezeti az áramot. Ez rendkívül hasznos tulajdonság, ugyanakkor ellentmond az elektromos vezetők fizikájával kapcsolatos jelenlegi ismereteinknek.
Az új tulajdonság jobb megértéséhez a Berkeley Lab Anyagtudományi Osztályának (MSD) csapata megvizsgálta az elektronok mozgását a vanádium-dioxid kristályrácsában, valamint azt, hogy mennyi hő termelődik. Meglepő módon úgy találták, hogy a hővezető képesség, amely az anyag elektronjainak tulajdonítható, tizede volt annak, mint amit a Wiedemann-Franz törvény jósolt. Ennek oka úgy tűnik, az elektronok szinkronizált mozgása az anyagban. "Ez teljesen váratlan eredmény volt" - mondta Junqiao Wu az MSD vezető kutatója.
A kutatók már korábban is ismertek néhány más olyan anyagot, amelyek jobban vezetik az elektromos energiát mint a hőt, ám ezen tulajdonságaikat csak több száz fokkal nulla alatti hőmérsékleten veszik fel, ami alkalmazhatatlan a hétköznapi körülmények között. A vanádium-dioxid általában csak meleg hőmérsékleten vezető, jóval a szobahőmérséklet felett, így a felhasználása sokkal praktikusabb lehet.
Wu így magyarázta a történteket: Az elektronok együtt mozogtak, hasonlóan a folyadékokhoz, ahelyett, hogy különálló részecskék módjára viselkedtek volna, mint a normál fémekben. Az elektronok esetében a hőmozgás véletlenszerű. A normál fémek hatékonyan szállítják a hőt, mivel olyan sokféle lehetséges mikroszkopikus konfiguráció létezik, melyek között az egyes elektronok ugrálni tudnak. Ezzel szemben, az elektronok koordinált, katonai alakzatként történő mozgása a vanádium-dioxidban hátrányos a hőleadásra nézve, mivel kevesebb konfiguráció áll rendelkezésre az elektronok számára, hogy véletlenszerűen ugrálhassanak közöttük.
Érdekes újabb felfedezés volt, hogy amikor a kutatók ötvözték a vanádium-dioxidot más anyagokkal, akkor "behangolhatták" mind a villamosenergia, mind a hő mennyiségét, amelyet képes elvezetni - ami rendkívül hasznos lehet az anyag jövőbeni alkalmazásához. Például, amikor a kutatók volfrámot adtak a vanádium-dioxidhoz, csökkentették azt a hőmérsékletet, amelyen az anyag fémessé vált, és eközben jobb hővezetővé tették. Ez konkrét esetben azt jelentheti, hogy a vanádium-dioxid hozzájárulhat egy adott rendszerben keletkező hő elvezetéséhez, ha csak akkor válik hővezetővé, amikor a rendszer elér egy bizonyos hőmérsékletet. Azt megelőzően szigetelőként viselkedik. Például az anyag olyan ablaküveg bevonatként is felhasználható, amely légkondicionálás nélkül csökkenti a hőmérsékletet –tehát igen sokoldalúan felhasználható a hőmérséklet stabilizálására. Hővezető képességének beállításával a VO2 hatékonyan és automatikusan eloszthatja a nyáron keletkező hőt, mivel magas hővezető képességgel rendelkezik, de meg is akadályozza a hőveszteséget a hideg télben, mivel alacsonyabb hőmérsékleten alacsony a hővezető képessége is.
Az új felfedezés igazi haszna az lehet, ha egy napon felhasználható lesz a motorok és készülékek veszteséghőjének villamos energia formában történő visszatáplálására, de akár jobb ablakszigetelést is létrehozhatnak belőle, amely megőrzi az épületek hőmérsékletét. A kutatási eredmények a Science tudományos folyóiratban is megjelentek.
