研究發現二氧化釩超低熱導率,“打破”物理定律

 

　　威德曼-弗朗茲定律

 

　　威德曼-弗朗茲定律，是關于材料「熱導率λ」與「電導率σ」之間的關系的定律。德國物理學家G.H.威德曼和R．弗朗茲于由大量實驗事實發現，許多金屬的熱導率和電導率的比值都是一個常數，這一規律稱為威德曼一弗朗茲定律。1891年H.A.洛倫茲進一步發現，比值λ/σT是與金屬種類無關的常數，T是絕對溫度，這常數用L表示，稱洛倫茲數。

 

　　簡單點說，定律說明材料的導電性能越好，那么導熱性能也越好良好。

 

　　二氧化釩

 

　　然而，二氧化釩材料卻是一個例外，它并不遵守這一定律。

 

　　二氧化釩是一種具有相變性質的金屬氧化物，其相變溫度為67℃左右，在達到相變溫度時可以從絕緣體變化為金屬，相變前后其對紅外光可產生由透射向反射的可逆轉變。

 

　　在美國橡樹嶺國家實驗室納米相材料科學中心，美國田納西大學研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國科學家合作，借助凝聚物理學理論成功地解釋了二氧化釩的相行為。他們發現二氧化釩發生的多相競爭現象是由晶格對稱所引起的，在冷卻時二氧化釩晶格能夠以不同的方式發生“折疊”，因此人們所觀察到的現象是二氧化釩不同的折疊形態。

 

　　伯克利實驗室材料科學部門的物理學家、加州大學伯克利分校材料科學和工程系教授、這項研究首席調查員吳軍橋評論說：

 

　　“這是一個完全意想不到的發現！教科書上對于傳統導體來說牢不可破的物理定律，由于這項發現而瓦解了。這項發現對于理解新穎的導體的基本電子行為，具有根本的重要意義。”

 

　　研究過程

 

　　吳教授和他領銜的研究團隊與來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的杜克大學副教授 Olivier Delaire合作，展開了二氧化釩特性的研究。通過仿真和X射線散射實驗，他們梳理出材料的晶格振動（聲子）和電子運動，對于熱導率的影響比率。

 

　　令他們感到驚訝的是，他們發現由電子運動引起的熱導率，還未達到威德曼-弗朗茲定律的期望值的十分之一。

 

　　由伯克利研究人員合成的二氧化釩納米梁（VO2），具有奇異的導電和導熱特性。在假彩色掃描電子顯微鏡圖像中，導熱系數通過從紅色的熱源板導藍色的感知板之間傳導的熱量測量計算而來。兩個板之間由VO2納米梁傳導熱量。

 

　　對于這個現象，吳教授如此解釋：“電子在運動時具有相互一致性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的單個粒子。對于電子而言，熱量是一種隨機運動。普通金屬可以有效地傳導熱量，是由于單個電子可以在許多不同可能性的微觀形態之間跳轉。相對而言，二氧化釩中的電子，彼此協調一致，就像軍樂隊一樣，對于熱量傳導不利。這是由于電子可以隨機切換的形態變少了。”

 

　　尤其是，通過讓二氧化釩與其他物質混合，可以調節其導電和導熱的數量。當研究人員在單晶二氧化釩樣本中摻入金屬鎢時，二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時，金屬相中的電子變成更好的導熱體。這使得二氧化釩從絕緣體向金屬進行相變時，研究人員可以控制散發的熱量，反之亦然，溫度也可以調節。