Materiais Avançados

Metal exótico transporta eletricidade e retém o calor

Metal exótico transporta eletricidade e retém o calor
Melhor de tudo, a condutividade elétrica e termal do VO2 pode ser ajustada dopando-o com outros metais. [Imagem: Junqiao Wu/Berkeley Lab]

Dióxido de vanádio

O dióxido de vanádio é um daqueles materiais que fazem os cientistas se apaixonarem perdidamente ou fugirem dele: esse metal parece não gostar de cumprir as bem-comportadas leis que estabelecem o comportamento dos outros materiais.

E essa fama de não-conformista não foi conquistada com poucos esforços: por exemplo, o dióxido de vanádio é condutor e isolante ao mesmo tempo e pode funcionar como um músculo artificial mil vezes mais forte do que um músculo humano, sem contar um tipo de transístor que altera o estado da matéria.

E essa lista de esquisitices acaba de crescer, conforme demonstrou Sangwook Lee, juntamente com um time de pesquisadores dos Laboratórios Berkeley e da Universidade da Califórnia.

Conduz eletricidade, mas não calor

Lee descobriu que os elétrons que trafegam no dióxido de vanádio podem conduzir eletricidade sem conduzir calor.

Em vez de se moverem como partículas individuais, como nos metais comuns, no VO2 os elétrons se movem de forma mais parecida com a forma como se movem em um líquido.

"Para os elétrons, o calor é um movimento aleatório. Os metais normais transportam calor de forma eficiente porque há muitas diferentes configurações microscópicas possíveis entre as quais os elétrons individuais podem saltar. Em contraste, o movimento coordenado dos elétrons no dióxido de vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há menos configurações disponíveis para os elétrons saltarem aleatoriamente entre elas.

"Esta foi uma descoberta totalmente inesperada. Isso mostra uma ruptura drástica de uma lei descrita em todos os livros didáticos, reconhecida como robusta para os condutores convencionais. Esta descoberta é de importância fundamental para a compreensão do comportamento eletrônico básico de novos condutores," resumiu o professor Junqiao Wu.

Aplicações do material exótico

Uma descoberta estranha e inesperada, mas potencialmente muito útil, abrindo o caminho para uma série de aplicações interessantes, como sistemas de geração de energia termoelétrica ou de dissipação de calor.

Ao tentar confirmar os resultados do experimento, a equipe constatou que a capacidade de condução de eletricidade e calor do VO2 pode ser ajustada mediante a adição de quantidades precisas de outros elementos, como o tungstênio. Isso significa que o material pode capturar ou dissipar o calor - em motores de carros por exemplo.

"Este material poderia ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura," disse Fan Yang, coautor do trabalho. "Ajustando sua condutividade térmica, o material pode dissipar calor de forma eficiente e automática no verão porque ele terá alta condutividade térmica, mas evitar a perda de calor no inverno, devido à sua baixa condutividade térmica a temperaturas mais baixas."

Yang acrescenta que há mais perguntas que precisam ser respondidas antes que o dióxido de vanádio possa ser comercializado com esse objetivo, mas afirmou que estes resultados destacam o potencial de um material com "propriedades elétricas e térmicas exóticas".

Bibliografia:

Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide
Sangwook Lee, Kedar Hippalgaonkar, Fan Yang, Jiawang Hong, Changhyun Ko, Joonki Suh, Kai Liu, Kevin Wang, Jeffrey J. Urban, Xiang Zhang, Chris Dames, Sean A. Hartnoll, Olivier Delaire, Junqiao Wu
Science
Vol.: 355, Issue 6323, pp. 371-374
DOI: 10.1126/science.aag0410




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