Исследователи из американской Национальной лаборатории в Беркли обнаружили новое вещество, которое, пребывая в металлическом состоянии, хорошо проводит электрический ток, являясь, одновременно, тепловым изолятором. Такая особенность этого материала может быть очень полезной в некоторых областях, тем не менее, она кардинально ломает все устоявшиеся принципы и понимание того, как работают электрические проводники.
Свойства вещества, обнаруженного еще в 2017 году, нарушают закон Видемана-Франца, согласно которому теплопроводность токопроводящего материала пропорционально зависит от его удельной электрической проводимости. Именно в соответствии с этим законом такие вещи, как электронагреватели, электромагниты и электродвигатели становятся теплыми и даже горячими во время их использования.
Обнаруженным веществом является диоксид ванадия (VO2), материал, который в нормальных условиях является прозрачным диэлектриком. Но при повышении температуры выше 67 градусов Цельсия этот материал переходит в металлическую токопроводящую фазу. «Необычные свойства диоксида ванадия разрушают все наши представления, полученные из учебников по физике» — пишут исследователи, — «Это открытие имеет огромное значение для понимания поведения электронов в некоторых материалах».
Для того, чтобы понять откуда у диоксида ванадия берутся столь причудливые свойства (теплопроводность, которая в 10 раз меньше значения, определенного законом Видемана-Франца), ученые исследовали то, как электроны перемещаются в кристаллической решетке этого материала. И причиной этому оказалась необычная синхронизация движения всех электронов. «Электроны внутри этого материала перемещаются все вместе, как поток жидкости, а не как отдельные частицы, что имеет место быть в других металлических веществах» — пишут исследователи, — «При таком упорядоченном движении электроны не задевают узлы кристаллической решетки, что является основой теплопереноса в других материалах».
В своих исследованиях ученые начали вводить различные добавки в диоксид ванадия и смотреть, как это повлияет на свойства материала. Добавка вольфрама позволила понизить температуру перехода материала в металлическое состояние и повысила его теплопроводность. Это позволит, к примеру, создать элементы охлаждения, которые начнут работать только тогда, когда температура охлаждаемого объекта превысит определенный порог.
Кроме «игр» с электропроводностью и теплопроводностью диоксида ванадия ученые выяснили, что этот материал обладает еще одним уникальным свойством — в нормальных условиях этот материал является прозрачным во всех диапазонах света, но при температуре свыше 60 градусов Цельсия он начинает отражать инфракрасный свет, оставаясь прозрачным для света видимого диапазона. Благодаря таким свойствам, диоксид ванадия с некоторыми добавками может быть использован в качестве покрытия для «умных» окон, способных понижать температуру в помещении без потребности в его кондиционировании.
Для того, чтобы более точно изучить необычные свойства диоксида ванадия и других подобных материалов, которые, без сомнения, будут найдены в будущем, ученым потребуется провести еще массу различных исследований. И эти исследования будут проведены, учитывая перспективы создания ряда реальных коммерческих технологий, который сейчас существуют лишь в научно-фантастических фильмах и произведениях.
