Metal conduz eletricidade, mas não conduz calor

For This Metal, Electricity Flows, But Not the Heat, 2017

Ananias Lemos Rodrigues

Tradução e adaptação

Postado em 29/08/2018

Surge uma ruptura no que “conhecemos sobre os materiais” com a nova descoberta feita recentemente por uma equipe internacional de cientistas, pois evidenciam uma não-conformidade na propriedade dos metais. 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 elétrons no dióxido de vanádio podem conduzir eletricidade sem conduzir calor.

Berkeley Lab scientists Junqiao Wu, Changhyun Ko, and Fan Yang (l-r) are working at the nano-Auger electron spectroscopy instrument at the Molecular Foundry, a DOE Office of Science User Facility. They used the instrument to determine the amount of tungsten in the tungsten-vanadium dioxide (WVO2) nanobeams. (Credit: Marilyn Chung/Berkeley Lab)

Vanadium dioxide (VO2) nanobeams synthesized by Berkeley researchers show exotic electrical and thermal properties. In this false-color scanning electron microscopy image, thermal conductivity was measured by transporting heat from the suspended heat source pad (red) to the sensing pad (blue). The pads are bridged by a VO2 nanobeam. (Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab)

Os resultados podem nos levar a uma revisão tecnológica, de modo a obter novas aplicações, dentre outras, na área da eletricidade, como por exemplo, revisão do sistema termoelétrico que converte o calor residual de motores.

O vanádio é um elemento químico do grupo 5 (metais de transição) que pertence ao quarto período da tabela periódica.

"Essa foi uma descoberta totalmente inesperada", afirma o diretor do estudo, Junqiao Wu, físico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley. “O resultado mostra um colapso drástico de uma lei de livros didáticos que é conhecida por possuir raízes profundas quanto a materiais condutores convencionais. Essa descoberta é de fundamental importância para o entendimento do comportamento eletrônico básico de novos condutores ”.

No decorrer do estudo das propriedades do dióxido de vanádio, Wu e sua equipe de pesquisa fizeram uma parceria com Olivier Delaire no Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE e com um professor associado da Universidade Duke. Usando resultados de simulações e experimentos de dispersão de raios X, os pesquisadores conseguiram descobrir a proporção de condutividade térmica atribuível à vibração da estrutura cristalina do material, chamada phonons, e ao movimento de elétrons.

Para surpresa deles, descobriram que a condutividade térmica atribuída aos elétrons é dez vezes menor do que o que o previsto pela Lei Wiedemann-Franz.

"Os elétrons estavam se movendo em uníssono uns com os outros, muito parecido com um fluido, não como partículas individuais tal como ocorre em metais normais", disse Wu. “Para os elétrons, o calor possui movimento randômico. Os metais normais transportam o calor eficientemente porque existem diferentes configurações microscópicas possíveis de modo que os elétrons individuais podem saltar entre eles. Em contraste, coordenadamente, o movimento de elétrons em banda no dióxido de vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há poucas configurações disponíveis para os elétrons saltarem aleatoriamente entre eles ”.

Notavelmente, é possível controlar a quantidade de eletricidade e calor que o dióxido de vanádio pode conduzir misturando-o com outros materiais. Quando os pesquisadores misturaram amostras de dióxido de vanádio e metal tungstênio, perceberam que baixou a temperatura de transição da fase na qual o dióxido de vanádio se tornava metálico. Ao mesmo tempo, os elétrons na fase metálica se tornaram melhores condutores de calor. Isso permitiu aos pesquisadores controlar a quantidade de calor que o dióxido de vanádio poderia dissipar, alternando sua fase de isolante para metal e vice-versa, a temperaturas ajustáveis.

Tais materiais podem ser usados para ajudar a limpar ou dissipar o calor em motores, ou podem ser desenvolvidos em um revestimento de janela que melhora o uso eficiente de energia em edifícios, disseram os pesquisadores.

"Este material pode ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura", disse Fan Yang, pesquisador de pós-doutorado da Molecular Foundry, de Berkeley Lab (uma instalação do Departamento de Ciência do Departamento de Pesquisa do DOE), onde algumas pesquisas foram realizadas. "Ao ajustar sua condutividade térmica, o material pode eficientemente e automaticamente dissipar o calor no verão (quente), porque terá alta condutividade térmica, mas evitará a perda de calor no inverno (frio) por causa de sua baixa condutividade térmica em baixas temperaturas."

Yang observou que há mais perguntas que precisam ser respondidas antes que o dióxido de vanádio possa ser comercializado, mas disse que este estudo destaca o potencial de um material com "propriedades elétricas e térmicas exóticas".

Embora haja outros materiais além do dióxido de vanádio que podem conduzir eletricidade melhor que o calor, eles ocorrem em temperaturas de centenas de graus abaixo de zero, tornando difícil o desenvolvimento de aplicações no mundo real, disseram os cientistas.

Outros co-autores do estudo incluem Sangwook Lee na Kyungpook National University na Coréia do Sul, Kedar Hippalgaonkar no Instituto de Pesquisa de Materiais e Engenharia em Cingapura, e Jiawang Hong no Instituto de Tecnologia de Pequim na China. Lee e Hippalgaonkar começaram a trabalhar neste artigo como pesquisadores de pós-doutorado na UC Berkeley. Hong começou seu trabalho como pesquisador de pós-doutorado no Oak Ridge National Laboratory. A lista completa de autores está disponível online.

O apoio adicional para este trabalho veio através do uso de instalações apoiadas pelo Programa de Materiais Eletrônicos no Escritório de Ciência do DOE.

O dióxido de vanádio é transparente abaixo de cerca de 30 graus Celsius (86 graus Fahrenheit), e absorver a luz infravermelha acima de 60 graus Celsius (140 graus Fahrenheit).

O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley aborda os desafios científicos mais urgentes do mundo, promovendo a energia sustentável, protegendo a saúde humana, criando novos materiais e revelando a origem e o destino do universo. Fundada em 1931, a expertise científica do Berkeley Lab foi reconhecida com 13 prêmios Nobel. A Universidade da Califórnia administra o Berkeley Lab para o Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA. Para mais informações, visite http://www.lbl.gov.

O Departamento de Ciência do DOE é o maior defensor da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para resolver alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para mais informações, visite science.energy.gov

Para melhor entendimento este texto não se refere a uma livre tradução, mas sim uma tradução com adaptações do tradutor, para se ter acesso ao texto original, verifique nas referências abaixo.

Fonte: Berkeley Lab