Her er 'metallet', der leder elektricitet, men ikke varme

Berkeley-forskerne Junqiao Wu, Changhyun Ko og Fan Yang (fra venstre til højre) i laboratoriet med et instrument, hvor de undersøger indholdet af wolfram i nanostænger af wolfram-vanadiumdioxid. Illustration: Marilyn Chung/Berkeley Lab

En meget god tommelfingerregel er, at metaller, der er gode elektriske ledere, også er gode varmeledere. I en artikel i Science præsenterer en forskergruppe anført af Junqiao Wu fra University of California, Berkeley nu et materiale, hvor det elektriske bidrag til den termiske varmeledning er meget lavt.

Det åbner for muligheden af at designe systemer til kontrolleret varmeledning fra motorer til coating af vinduer, som kan fjerne varme på en varm sommerdag, men forhindrer varmetab på en kold vinterdag, forklarer en af forskerne, Fan Yang, i en pressemeddelelse fra universitetet.

I 1853 fremsatte de tyske fysikere Gustav Wiedemann og Rudolph Franz i Annalen der Physik und Chemie en empirisk lov, der viste, at forholdet mellem den termiske varmeledningsevne og den elektriske ledningeevne med meget god tilnærmelse var ens i alle metaller ved samme temperatur.

Det kan beskrives på denne måde:

[latex] \frac{\kappa}{\sigma T} = L [/latex]

[latex] L \sim L_0 = (\pi^2/3)/k_B/e)^2 = 2,44 \times 10^{-8} W \Omega K^{-2} [/latex]

L kaldes Lorenz-tallet efter den danske fysiker Ludvig Valentin Lorenz.

Normalt forklares dette med, at både varmeledning og elektricitet er forbundet med bevægelse af frie elektroner.

Vanadiumdioxid følger ikke reglerne

Vandiumdioxid (VO2) er et materiale, der skifter fra at være en isolator til at være metallisk ved 67 grader celsius (340 K).

I denne opstilling måles varmeledningen gennem en nanostang af VO2 (tykkelse ca. 0,2 mikrometer, længde ca. 30 mikrometer) fra det røde til det blå område. Illustration: Junqiao Wu/Berkeley Lab

Forskergruppen har set nærmere på varmeledningen i dette materiale omkring denne overgangstemperatur og fundet, at det effektive Lorenz-tal kun er en ca. en tiendedel af det, det burde være. Det betyder, at elektronerne, når de leverer en elektrisk strøm, kun giver 10 pct. af den forventede varme.

Forskerne forklarer dette med, at elektronerne i vanadiumdioxid ikke bevæger sig enkeltvis som frie elektroner, men de har en koordineret bevægelse.

Når normale metaller er gode varmeledere, skyldes det, at der er mange forskellige mikroskopiske konfigurationer, de enkelte elektroner kan springe mellem. Varme kommer netop til udtryk gennem tilfældige bevægelser.

Den koordinerede bevægelse af elektronerne i vanadiumdioxid fjerner mange af disse tilfældige spring og reducerer dermed også varmeledningen.

Tilføj lidt wolfram

Ved at lave en legering med wolfram i form af WxV(1-x)O2 er det muligt at regulere den termiske varmeledning til kun at foregå ved bestemte temperaturer. Det er her de mulige anvendelser kan komme på tale.

Det skal dog understreges, at der endnu er mange uafklarede forhold, før man kan tænke sig at kommercialisere vanadiumdioxid til dette formål.

Forskerne forklarer, at der også kendes enkelte andre kendte materialer, der er gode elektriske ledere, men dårlige varmeledere. I disse materialer opstår fænomenet kun ved meget lave temperaturer under vands frysepunkt, så de er næppe interessante til brug i praktiske anvendelser.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

" ..termiske varmeledning og den elektriske varmeledning " ??

Termisk ledningsevne og/eller elektrisk ledningsevne. Det forstår jeg.

Men "elektrisk varmeledning", det lyder som volapyk. Skal det forståes som materialet ændre sin termisk ledningevne afhængig af strømmen igennem det ?

  • 2
  • 0

Det er gået op for mig, at VO2 (der efter min opfattelse ikke er noget metal, men et oxid) ved en eller anden temperatur (formodentlig over 67°C) er en rimelig god elektrisk leder, men en dårligere varmeleder end forventet (ud fra den elektriske ledningsevne). Til gengæld fatter jeg intet af, hvorfor de taler om "nanobeams" i pressemeddelelsen, gælder det ikke i almindelige mm/cm størrelser? "Legeringen?" med wolfram fatter jeg intet af. Er VO2 blandbart med metallisk wolfram W, eller drejer det sig om en blanding af oxider VO2 og WO2 ??? De mulige anvendelser fatter jeg absolut intet af. Hvis kun "nanobeams" har egenskaberne, så forekommer praktisk anvendelse i mm/cm størrelser at være udenfor rækkevidde.

Hertil oplyser pressemeddelelsen noget om VO2's temperaturafhængige gennemskinnelighed for IR, hvad man så ellers skal bruge den oplysning til.
HVEM HENVENDER ARTIKLEN SIG TIL? NÆPPE MANGE FATTER RET MEGET ???

Med venlig hilsen - Steen Ahrenkiel.

  • 3
  • 3

Kære Steen, du er som sædvanlig god til at udtrykke dig med versaler.

Jeg sakser lidt fra Science-artiklen til dig om 'metallic vanadium oxide', og synes jeg også godt, jeg kalde det et metal, selv om det måske kan genere en puritaner.

Hvad er VO2 med wolfram spørger du? Herom står følgende:

We now show that this effect can be tuned in W-doped VO2 (WxV1–xO2) nanobeams. Tungsten was chosen as the dopant because it is known to lower the MIT temperature (TMIT) by detwisting the V-V bonds in the monoclinic I phase

x er nogle få procent, kan jeg supplere med.

Hvorfor nanostænger, spørger du? Herom skriver forskerne:

we use single-crystal VO2 nanobeams, where the single crystallinity and freestanding configuration in our measurements eliminate extrinsic domain and strain effects. Moreover, our sample geometry ensures that both heat and charge flow in the same path along the nanobeam length direction. This is a crucial condition that, if not satisfied, could result in an erroneous determination of κe and assessment of the WF law, especially for VO2, which has an anisotropic crystal structure.

Og synes du virkelig slet ikke, det er bare en lille smule interessant, at man har et materiale med nogle usædvanlige egenskaber.

Men det er da rigtigt, at jeg i en kort artikel ikke kan give en helt fyldestgørende forklaring. Jeg havde dog håbet, at læserne vil fange hovedidéen i forskningsprojektet.

  • 14
  • 1

Kære Jens. Tak for dit forsøg på at tydeliggøre artiklen for mig. – – – – (1) Det var en vigtig oplysning, at VO2 også blev doped med nogle få % WO2 (formoder jeg efter formlen, W danner mange oxider). (2) Det er også en vigtig oplysning, hvis pressemeddelsens "nanobeams" kun skyldes, at forskerne ikke (endnu) magter at lave større krystaller. – – – – (3) Til gengæld har jeg ikke fattet spor af, hvordan de angivne elektriske- og varmelednings- egenskaber giver mulighed giver mulighed for praktiske anvendelser. Specielt undrer det mig, at overskriften foreslår, at den dårlige varmeleder VO2 er velegnet til bortledning af varme. (4) Selv om jeg ikke på stående fod har nogen idéer til anvendelse af VO2's temperaturafhængige skift i gennemskinnelighed for IR, så kan jeg bedre fatte, at den egenskab kan finde anvendelse. – – – – PS. Som jeg lige har skrevet i en anden tråd, så er versaler min eneste formateringsmulighed. – Ing.dk ændrer helt tilfældigt min text i PLAIN til BOLD, uden at jeg kan forhindre det, og uden at jeg kan ændre det, ligesom jeg ikke selv kan vælge BOLD. (Det gælder alle mine MAC'er og alle mine browsere). I øvrigt bruger jeg altid VERSAL-formateringen på alle de sites, hvor BOLD-muligheden (heller) ikke er til stede. – – – – De bedste hilsener - Steen Ahrenkiel.

  • 2
  • 2

(5) KRYSTALRETNINGEN OG DEN ELEKTRISKE LEDNINGSEVNE. I det af mig læste står der intet om den elektriske ledningsevnes afhængighed af krystalretningen. Det forekommer dog alligevel sandsynligt for mig, at den elektriske ledning er afhængig af krystalretningen, fordi en krystal af VO2 har forskellige fysiske egenskaber i de forskellige retninger. Dette er overensstemmende med forskernes anvendelse af nano-krystaller (fordi de ikke kan lave større). (6) ÆNDRING AF VARMELEDNING I ISOLATOREN VILLE UNDRE MERE. Metal-ilter er isolatorer, og derfor undrer det, at en slig kan blive elektrisk ledende ved opvarmning. (Det siger næsten sig selv, at en isolator ikke får metallisk ledningsevne ved opvarmning). Det ville nok undre endnu mere, hvis en metal-ilte isolator pludselig blev til en god varmeleder ved opvarmning over en bestemt temperaturgrænse. – – – – Med venlig hilsen - Steen Ahrenkiel.

  • 2
  • 1

Jeg synes det generer lidt at der er to højreparanteser og en venstre parentes i udtrykket for L.

Dårlig artikel

  • 1
  • 1

Under 66°-67°C har VO2 monoklin (space group P2,1/c) krystalstruktur og er en halvleder (isolator). Over 66°-67°C har VO2 tetragonal krystalstruktur (højere symmetri) og leder elektricitet. Kilde: https://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium(IV)... Wiki giver lidt flere oplysninger, men oplyser intet om en eventuel forskel på ledningsevnen parallel med vs. vinkelret på den optiske akse (4-tals aksen) i krystallen. Dette spørgsmål må altså stå åbent indtil videre. – – – – Med venlig hilsen - Steen Ahrenkiel.

  • 1
  • 1

Hej:

Nu ikke alt det brok;-) Det er en god artikel fordi det handler om mulige praktiske anvendelser af relativt grundlæggende materialeforskning.

Nå: til fysikken og dens mulige tekniske egenskaber

1) Varmetransport i regelmæssige metalliske krystaller med frie elektroner: Elektronerne transporterer langt den meste del af varmen. Om 'elektrisk varmeledning' så er et godt udtryk ? Nok ikke: 'varmeledning med elektroner' er nok bedre.

2) WxV(1-x)02: W02, W2V102, W3V202 osv

3) IR gennemskinneligt: Et metal er ikke gennemskinneligt fordi (advarsel . Klassisk fysik) lysbølgerne reflekteres i det frie elektronlag,(blankt), så når et materiale som dette er gennemskinneligt er det fordi det ikke længere har metalegenskaber.

Tænk nu ruder ved forskellige temperaturer: Når det er koldt udenfor reflekteres IR strålingen indefra, og hvad med det omvendte så solvarmen udefra holdes ude om sommeren?

Alt i alt spændende muligheder!

mvh Jens

  • 3
  • 1

Ved et spørgsmål til forfatterne om, hvorvidt den elektriske ledningsevne er "LIGE SÅ GOD VINKELRET PÅ DEN OPTISKE AXE SOM PARALLEL MED DENNE ???", fik jeg følgende noget ubestemte svar: – – "it is believed to be equally good in other lattice directions." – –  Junqiao Wu, Ph.D.

#

(1) Der er altså ikke foretaget noget experiment med andet end end ledningsevnen parallel med den optiske axe, men der gættes/konkluderes, at krystallen også leder i andre retninger. (2) Selv om lyshastigheden i en tetragonal krystal er forskellig parallel med vs. vinkelret på den optiske axe, så gætter denne forfatter på, at den elektriske ledningsevne er identisk i alle retninger.

#
Nu er spørgsmålet rejst overfor forfatterne. Desværre har de næppe mulighed for at undersøge sagen experimentelt med deres nuværende mikrokrystaller, der er tynde, lange krystaller parallelt med den optiske axe.

Med venlig hilsen - Steen Ahrenkiel.

  • 1
  • 1

(1) FYSIKKEN ER SPÆNDENDE. Det er spændende fysik, at VO2 pga. skift kystalstruktur fra monoklin (lav symmetri) til tetragonal (højere symmetri) ved 66°-67°C pludselig får forøget den elektriske ledningevne. [At krystaller skifter krystalstruktur til en højere symmetri ved opvarmning er ret almindeligt. Det er ledningsevnens afhængighed af krystalstrukturen, der er det spændende i dette tilfælde.] At varmeledningsevnen ikke ændres væsentligt pga. denne mindre forskydning i krystalgitret, kan ikke undre mig. – At et IKKE-metal (men et oxid) er uden metallisk varmeledning, selv om det har elektrisk ledningsevne (og dermed en vis form for fri elektron-bevægelighed) er naturligvis alligevel værd at bemærke, fordi det viser, at der er tale om en IKKE-metallisk elektron bevægelse.

De foretagne forsøg med nano-krystaller efterviser den elektriske ledningsevne parallelt med krystallens optiske axe, medens ledningsevnen vinkelret på den optiske axe ikke er undersøgt. [Krystaller har forskellige egenskaber i forskellige krystalretninger.] Det generer mig, men det kan naturligvis opfattes som BROK.

(2) ANVENDELSES-FORSLAGENE FOREKOMMER MIG AT VÆRE NONSENS. At foreslå anvendelse af en ret så dyr termisk isolator (der ikke skifter varmeledning med temperaturen) som varmeleder til køling af motorer og vinduer forekommer mig at være forvrøvlet sludder. EN KRITIK, DER NÆPPE KAN BETEGNES SOM BROK. Naturligvis havde jeg forventet en rettelse efter denne påpegning. Det er endnu ikke sket.

Jens Frederik Nyborg, der synes at have forstået visdommen i Ramskovs anvendelses-forslag, bedes venligst forklare mig (brokkehoved), hvordan noget sligt kan realiseres.
PS. Jeg sætter Jens Ramskov meget højt, selv om vi altid har været uenige om, hvorvidt baggrunden for den videnskabelige metodik i klimaforskningen er korrekt eller ukorrekt.

Med venlig hilsen - Steen Ahrenkiel.

  • 1
  • 1
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten