Phát hiện kim loại dẫn điện nhưng không dẫn nhiệt, phá vỡ định luật cơ bản nhất của vật lý

Các nhà nghiên cứu đã xác định một kim loại có khả năng dẫn điện nhưng không dẫn nhiệt – một tính chất cực kỳ hữu dụng nhưng đi ngược lại vốn hiểu biết của chúng ta hiện nay về cách thức các chất dẫn hoạt động.

Kim loại này mâu thuẫn với định luật Wiedemann-Franz, trong đó nói rằng một chất dẫn điện tốt bao nhiêu thì cũng dẫn nhiệt tốt bấy nhiêu, và đó là nguyên nhân các mô tơ và các thiết bị sẽ nóng lên khi sử dụng lâu dài.

Nhưng một nhóm nhà khoa học ở Mỹ đã cho thấy định luật này không áp dụng với ôxit của kim loại Vanadi (VO2) – một chất liệu nổi tiếng với đặc tính kỳ lạ có thể biến đổi từ một chất cách điện thành một kim loại dẫn điện tại mức nhiệt 67 độ C.

“Đây là một phát hiện hoàn toàn không ngờ. Nó cho thấy một sự phá vỡ mạnh mẽ với các quy luật vững chắc trong sách giáo khoa áp dụng cho các chất dẫn truyền thống. Khám phá này có tầm quan trọng chủ chốt giúp hiểu rõ hơn hoạt động điện căn bản của các chất dẫn mới”, GS Junqiao Wu, trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu đang tiến hành thí nghiệm tại ĐH California ở Berkeley. (Ảnh: Internet)

Tính chất này không chỉ thay đổi vốn hiểu biết của chúng ta về các chất dẫn, mà còn đặc biệt hữu dụng khi có thể được sử dụng để chuyển đổi nhiệt năng thất thoát từ động cơ và thiết bị ngược trở lại thành điện năng, hay thậm chí tạo ra các tấm phủ kính cửa sổ chống nắng tốt hơn vào mùa hè.

Tuy các nhà nghiên cứu đã biết đến nhiều loại vật chất khác có khả năng dẫn điện tốt hơn dẫn nhiệt, nhưng tính chất này mới chỉ được quan sát tại mức nhiệt âm hàng trăm độ C, như vậy không cách nào ứng dụng trong thực tiễn. Trái lại, VO2 thường tồn tại dưới dạng một chất dẫn tại mức nhiệt ấm áp bên trên nhiệt độ phòng, do đó có tính thực tiễn cao hơn.

Để tìm ra tính chất mới lý thú này, nhóm nghiên cứu quan sát cách thức hạt electron chuyển động bên trong mạng tinh thể VO2, và đo lường lượng nhiệt năng sản sinh trong quá trình này.

(Ảnh: Internet)

Ngạc nhiên thay, họ phát hiện độ dẫn nhiệt đến từ sự chuyển động của các hạt electron trong VO2 nhỏ hơn 10 lần so với được dự đoán bởi Định luật Wiedemann-Franz.

Nguyên nhân là do các hạt electron trong VO2 chuyển động khá đồng đều. Các hạt electron chuyển động hòa hợp với nhau, giống như đang diễu hành, thay vì các hạt đơn lẻ “mạnh ai người nấy đi” trong kim loại thông thường. Nhiệt được sinh ra nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu tạo nên vật chất. Ở các kim loại thông thường, nhiệt được truyền dẫn hiệu quả bởi có rất nhiều hình dạng vi mô khác nhau để các hạt electron đơn lẻ có thể nhảy giữa. Trái lại, ở VO2, hình thức chuyển động kiểu diễu hành, có tính phối hợp rất đồng đều giữa các hạt electron bên trong sẽ cản trở sự truyền nhiệt vì có ít hình dạng khả thi hơn để các hạt electron nhảy ngẫu nhiên ở giữa.

Điều thú vị là, khi các nhà nghiên cứu trộn VO2 với các chất liệu khác, họ có thể tinh chỉnh cả lượng điện năng lẫn nhiệt năng VO2 có thể truyền dẫn, và với đặc điểm này VO2 sẽ trở nên cực kỳ hữu dụng trong các ứng dụng tương lai. Lấy ví dụ, khi thêm kim loại Vonfram vào VO2, họ đã hạ thấp mức nhiệt độ tại đó VO2 chuyển rắn, đồng thời tăng cường tính dẫn nhiệt. Có nghĩa là VO2 có thể giúp tản nhiệt khỏi một hệ thống, bởi nó chỉ dẫn nhiệt khi cán một mốc nhiệt độ nhất định. Trước khi đạt mức nhiệt đó, nó sẽ là một chất cách nhiệt.

VO2 còn có một tính chất đặc thù: trong suốt tại mức nhiệt khoảng 30 độ C, nhưng khi vượt quá 60 độ C, nó sẽ phản xạ ánh sáng tia hồng ngoại nhưng vẫn cho phép ánh sáng khả kiến đi xuyên qua. Vậy nên nó thậm chí có thể được dùng làm lớp phủ kính cửa sổ nhằm giảm nhiệt độ phòng vào mùa hè mà không cần đến điều hòa. 

Hình trên: dưới mức nhiệt 30 độ C, VO2 cho phép ánh sáng khả kiến và ánh sáng tia hồng ngoại đi xuyên qua. Hình dưới: trên 60 độ C, VO2 sẽ phản xạ ánh sáng tia hồng ngoại nhưng vẫn cho phép ánh sáng khả kiến đi xuyên qua. (Ảnh: Internet)

“Chất liệu này có thể giúp cân bằng nhiệt độ. Bằng cách tinh chỉnh độ dẫn nhiệt phù hợp, VO2 có thể tản nhiệt hiệu quả, tự động vào mùa hè nóng bức do có độ dẫn nhiệt cao, cùng lúc ngăn chặn tình trạng hao nhiệt vào mùa đông do có độ dẫn nhiệt thấp tại mức nhiệt độ thấp hơn”, nhà nghiên cứu tên Fan Yang cho biết.

Cấn tiến hành thêm nhiều nghiên cứu trước khi thương mại hóa chất liệu này, nhưng thật thú vị khi biết rằng các tính chất kỳ dị, hữu ích của nó tồn tại ở mức nhiệt độ phòng.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science.

Quý Khải (theo Sciene Alert)