Individuato un metallo che conduce elettricità ma non il calore

I ricercatori hanno identificato un metallo che è in grado di condurre l’elettricità ma non il calore, si tratta di una proprietà incredibilmente utile che sembra sfidare la nostra attuale comprensione di come funzionano i conduttori di elettricità.

Il metallo, scoperto nel 2017, sembra contraddire la legge di Wiedemann-Franz.

La legge di Wiedemann-Franz

In fisica tale legge afferma che: un buon conduttore di elettricità è anche un buon conduttore di calore, ciò rappresenta anche uno dei motivi per cui motori e altre apparecchiature elettriche si surriscaldano nel momento in cui vengono utilizzate in maniera regolare.

Che cosa ha identificato il team di ricercatori della divisione di scienza dei materiali dei Berkeley Lab's?

Ma un team di ricercatori USA ha scoperto che esiste un composto chimico metallico che sembra sfuggire a tale legge della fisica. Si tratta del biossido di Vanadio (VO2), un materiale che è in grado di mutare da isolante a conduttore al raggiungimento della temperatura di 67 °C.

«Si è trattato di un qualcosa di totalmente inaspettato» scrive il ricercatore Junqiao Wu che ha coordinato la ricerca presso la divisione di scienza dei materiali dei Berkeley Lab's nel 2017.

«Ciò sembrerebbe indicare indica una contrapposizione netta con una particolare legge della fisica descritta nei libri di testo come una teoria collaudata per i conduttori di elettricità convenzionali. Questa scoperta è di fondamentale importanza per la comprensione del comportamento degli elettroni nei nuovi conduttori» continua il ricercatore.

Dalla conversione del calore di scarto dei motori in elettricità al mantenimento della temperatura costante all'interno degli edifici

Questa proprietà inaspettata non cambia soltanto quello che sappiamo sui conduttori ma è anche qualcosa di incredibilmente utile, il metallo potrebbe un giorno essere utilizzato per convertire il calore di scarto prodotto da motori e apparecchiature nuovamente in elettricità oppure produrre coperture per finestre in grado di mantenere freschi gli edifici.

Immagine - Circuito stampato. Credits: Karl-Ludwig Poggemann/Flickr, CC BY 2.0

I ricercatori conoscono già altri materiali che sono in grado di condurre elettricità con una minore dissipazione del calore ma tutto ciò avviene a temperature molto al di sotto degli zero gradi centigradi, ciò rende tali materiali poco pratici per applicazioni nel mondo reale.

Il biossido di vanadio diventa conduttore elettrico al di sopra della temperatura ambiente

Il biossido di vanadio a temperature ben al di sopra di quella ambiente si comporta come un conduttore ciò significa che può essere utilizzato e molte applicazioni pratiche.

Per scoprire tale bizzarra proprietà il team di ricercatori ha osservato in che modo gli elettroni si muovono all'interno del reticolo cristallino del biossido di vanadio così come la quantità di calore che veniva generata.

Conducibilità termica 10 volte inferiore al valore della legge Wiedemann-Franz

Gli scienziati hanno scoperto che la conducibilità termica che potrebbe essere attribuita al passaggio degli elettroni nel materiale è 10 volte più piccola del valore predetto dalla legge Wiedemann-Franz. 

Il motivo di questa proprietà sembrerebbe essere legato al percorso sincronizzato degli elettroni quando si muovono all'interno il materiale.

«Nel biossido di Vanadio gli elettroni si muovono all'unisono l'uno con l'altro (proprio come avviene in un fluido) invece di muoversi come singole particelle come avviene nei metalli normali» scrive il dott. Wu.

«Dal punto di vista degli elettroni il calore rappresenta un movimento casuale. I metalli convenzionali trasportano il calore in modo efficiente poiché ci sono così tante configurazioni microscopiche che gli elettroni sono in grado di superare».

«Al contrario, il movimento coordinato degli elettroni nel biossido di vanadio è dannoso per il trasferimento del calore in quanto ci sono meno configurazioni disponibili per gli elettroni» ha aggiunto il ricercatore.

Regolare la quantità di elettricità e la quantità di calore mescolando bIossido di Vanadio e altri materiali

Quando i ricercatori hanno mescolato il biossido di vanadio con altri materiali sono stati in grado di regolare sia la quantità di elettricità sia la quantità di calore che il materiale sarebbe stato in grado di condurre, una caratteristica estremamente utile nel caso di future applicazioni.

Ad esempio quando i ricercatori hanno aggiunto il tungsteno (si tratta anch'esso di un metallo) al biossido di vanadio hanno abbassato la temperatura alla quale il materiale diviene metallico, il materiale derivato dall'unione dei due metalli è in grado di condurre meglio il calore.

Ciò significa che il biossido di vanadio potrebbe dissipare il calore da un sistema diventando cioè conduttore di calore solo quando il sistema raggiunge una certa temperatura, restando pertanto un isolante prima di raggiungere tale temperatura.

Il biossido di vanadio diventa trasparente a circa 30 °C

Il biossido di vanadio possiede anche l'abilità unica di essere trasparente a circa 30 °C mentre è in grado di riflettere la luce infrarossa ad una temperatura superiore ai 60 °C pur rimanendo trasparente alla luce visibile.

Ciò significa che tale metallo potrebbe essere utilizzato come rivestimento delle finestre in modo da ridurre la temperatura interna di un edificio senza la necessità di utilizzare l'aria condizionata. Si possono quindi immaginare i benefici in ordine di risparmio energetico e di sensibile riduzione dei costi di manutenzione di impianti per l'aria condizionata.

«Tale materiale potrebbe essere utilizzato per aiutare a stabilizzare la temperatura» scrive Fan Yang, uno dei ricercatori che ha preso parte allo studio .

«Regolando la conducibilità termica il materiale è in grado di dissipare in maniera automatica ed efficiente il calore durante l'estate poiché avrebbe un'elevata conducibilità termica, durante l'inverno al contrario sarebbe in grado di recuperare il calore residuo delle apparecchiature grazie a una conducibilità termica più bassa dovuta proprio a temperature inferiori».

Prima della commercializzazione del biossido di Vanadio saranno necessari ulteriori studi

Saranno necessari ancora molti studi su questo materiale sorprendente prima di poterlo commercializzare, ma sapere che a temperatura ambiente  il biossido di Vanadio possiede tali straordinarie proprietà rappresenta una cosa molto interessante che potrebbe essere sfruttata per applicazioni pratiche.

La ricerca "Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide" è stata pubblicata sulla rivista Science nel 2017.