يمكن لهذا المعدن توصيل الكهرباء لكنه عازل للحرارة

هناك كسر قواعد معروف بين المواد، اُكتشِف المزيد من الأدلة الجديدة بواسطة فريق عمل دولى من العلماء الداعمة لسمعة المعدن المنشق. ووفقا لدراسة جديدة قام بها علماء في (قسم الطاقة فى مختبر لورنس بيركلي الوطني-the Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory) (مختبر بيركلي-Berkeley Lab) في جامعة كاليفورنيا، بيركلي ، أن الإلكترونات في (ثاني أكسيد الفاناديوم-vanadium dioxide (VO2)) توصل الكهرباء ولا توصل الحرارة.

يمكن أن تؤدي النتائج، التي نشرت في عدد 27 يناير من مجلة العلوم، إلى مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل الأنظمة الحرارية التي تحول الحرارة الناتجة عن المحركات والأجهزة إلى كهرباء.

ويحكم العلاقة بين التوصيل الكهربائي والحراري بالنسبة لمعظم المعادن قانون (فيدمان-فرانز- (Wiedemann-Franz ، وينص القانون على أن الموصلات الجيدة للكهرباء هي أيضا موصلات جيدة للحرارة. ولكن ليس هذا هو الحال بالنسبة لثاني أكسيد الفاناديوم الصُلب، وهو مادة أشرنا بالفعل لقدرتها غير العادية على التحول من عازل لمعدن عندما تصل إلى 67 درجة مئوية معتدلة، أو 152 درجة فهرنهايت.

ويقول الباحث الأساسى للدراسة(جونْكِيَا وو- (Junqiao Wu فيزيائي في قسم علوم المواد بمختبر بيركلي ودكتور في علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا في بيركلي: «هذه النتيجة غير متوقعة تمامًا. فهى تعطل بِحِدة القانون النصى المعروف بصحته مع الموصلات التقليدية، وهذا الاكتشاف له أهمية اساسية لفهم السلوك الإلكتروني الأساسي للموصلات غير المألوفة».

في سياق دراسة خصائص ثاني أكسيد الفاناديوم، تمكن كلاً من وو وفريقه البحثي بالاشتراك مع (أوليفييه دوليغ- Olivier Delaire) من قسم الطاقة في مختبر أوك ريدج الوطني و أستاذ مساعد في جامعة (ديوك- Duke University) باستخدام نتائج من عمليات المحاكاة وتجارب تشتت الأشعة السينية من استخلاص أن نسبة التوصيل الحراري ترجع إلى اهتزاز الشبكة البللورية للمواد ، وتدعى الفونونات، وإلى حركة الإلكترونات.

ولدهشتهم، وجدوا أن التوصيل الحراري يرجع إلى الإلكترونات بنسبة أصغر عشر مرات مما كان يتوقعه قانون فيدمان-فرانز.

أضاف وو: « تتحرك الإلكترونات في انسجام مع بعضها البعض، تشبه إلى حد كبير السائل، بدلاً من الجزيئات الفردية في المعادن العادية. الحرارة هي حركة عشوائية بالنسبة للإلكترونات. تنقل المعادن العادية الحرارة بكفاءة لأن هناك الكثير من التكوينات المجهرية الممكنة المختلفة التى يمكن للإلكترونات الحرة القفز بيها. وعلى النقيض، تعرقل حركة الإلكترونات المنسقة التى تشبه مسيرة المجموعة فى ثاني أكسيد الفانديوم نقل الحرارة لإن هناك عدداً أقل من التكوينات المجهرية المتاحة للإلكترونات للقفز بينها».

الجدير بالذكر أن كمية الكهرباء والحرارة التى يستطيع توصيلها ثانى أكسيد الفانديوم يمكن ضبطها عن طريق خلطها مع مواد أخرى. عندما طَعَّم الباحثون عينات لبللورات أحادية من ثانى أكسيد الفانديوم مع معدن (التنجستين tungsten-)، استطاعوا تخفيض درجة حرارة مرحلة التحول الطورى التى يتحول فيها ثانى أكسيد الفانديوم لمعدن. فى نفس الوقت، وأصبحت الإلكترونات فى الحالة الصلبة موصلات جيدة للحرارة.و هذا مَكَّن الباحثون من التحكم فى كمية الحرارة المفقودة عند تحول ثانى أكسيد الفانديوم من طور العازل لطور المعدن والعكس بالعكس، فى درجات حرارة يمكن ضبطها.
وقال الباحثون:«يمكن استخدام مثل هذه المواد فى استعادة أو تبديد الحرارة فى المولدات، أو تُطَوَّر لطلاء نافذة يحسن الاستخدام الأمثل للطاقة فى المباني».

قال المؤلف والقائد المشارك في الدراسة (فان يانج-Van Yang) باحث ما بعد الدكتوراه في مسبك الجزيئات بمختبر بيركلي ومستخدم للمرفق فى مكتب وزارة الطاقة للعلوم حيث أجريت بعض التجارب: «يمكن استخدام هذه المادة للمساعدة في استقرار درجات الحرارة، تبدد هذه المادة الحرارة فى الصيف الحار بكفاءة وبتلقائية من خلال ضبط المُوَصِّلِيَّةٌ الحَرارِيَّة لها حيث يكون لها مُوَصِّلِيَّة حرارية عالية، وفى الشتاء البارد تمنع فقدان الحرارة نظرا لانخفاض مُوَصِّلِيَّتَها الحرارية فى درجات الحرارة المنخفضة».

لثاني أكسيد الفاناديوم فوائد إضافية تتمثل في كونه يصبح شفاف فى درجات حراة أقل من 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت)، ويمتص الأشعة تحت الحمراء فى درجات حرارة فوق 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت).

وأشار يانغ إلى أن هناك المزيد من الأسئلة التي تحتاج إلى إجابة قبل التسويق لثاني أكسيد الفاناديوم، لكنه قال إن هذه الدراسة تسلط الضوء على قوة المواد ذات الخواص الكهربائية والحرارية الغريبة.

قال العلماء: «هناك عدد قليل من المواد الأخرى إلى جانب ثاني أكسيد الفاناديوم التي يمكن أن توصل الكهرباء أفضل من الحرارة، لكن هذا يحدث في درجات حرارة تحت الصفربمئات الدرجات ، وهذا يضعها فى تحدى صعب لترقى إلى تطبيقات في العالم الحقيقي».

ترجمة: ساره جمال
تدقيق: يحيى أحمد
المصدر