Il y a un briseur de règle connu parmi les matériaux, et une nouvelle découverte par une équipe internationale de scientifiques ajoute plus de preuves pour soutenir la réputation anticonformiste du métal. Selon une nouvelle étude menée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy et de l'Université de Californie, Berkeley, les électrons du dioxyde de vanadium peuvent conduire l'électricité sans conduire la chaleur.

Les résultats, à paraître dans le numéro du 27 janvier de la revue Science , pourrait conduire à un large éventail d'applications, tels que les systèmes thermoélectriques qui convertissent la chaleur résiduelle des moteurs et des appareils en électricité.

Pour la plupart des métaux, la relation entre la conductivité électrique et thermique est régie par la loi de Wiedemann-Franz. Tout simplement, la loi stipule que les bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs de chaleur. Ce n'est pas le cas pour le dioxyde de vanadium métallique, un matériau déjà connu pour sa capacité inhabituelle à passer d'un isolant à un métal lorsqu'il atteint un doux 67 degrés Celsius, ou 152 degrés Fahrenheit.

"C'était une découverte totalement inattendue, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Junqiao Wu, un physicien à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et un professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Cela montre une rupture drastique d'une loi de manuel connue pour être robuste pour les conducteurs conventionnels. Cette découverte est d'une importance fondamentale pour comprendre le comportement électronique de base des nouveaux conducteurs."

Au cours de l'étude des propriétés du dioxyde de vanadium, Wu et son équipe de recherche se sont associés à Olivier Delaire du laboratoire national d'Oak Ridge du DOE et professeur agrégé à l'Université Duke. En utilisant les résultats de simulations et d'expériences de diffusion des rayons X, les chercheurs ont pu déterminer la proportion de conductivité thermique attribuable à la vibration du réseau cristallin du matériau, appelé phonons, et au mouvement des électrons.

A leur grande surprise, ils ont découvert que la conductivité thermique attribuée aux électrons est dix fois plus petite que ce que l'on pourrait attendre de la loi de Wiedemann-Franz.

"Les électrons se déplaçaient à l'unisson les uns avec les autres, un peu comme un fluide, au lieu de particules individuelles comme dans les métaux normaux, " dit Wu. "Pour les électrons, la chaleur est un mouvement aléatoire. Les métaux normaux transportent efficacement la chaleur car il existe tellement de configurations microscopiques différentes possibles entre lesquelles les électrons individuels peuvent sauter. En revanche, le coordonné, Le mouvement des électrons en forme de bande de marche dans le dioxyde de vanadium est préjudiciable au transfert de chaleur car il y a moins de configurations disponibles pour que les électrons sautent au hasard entre elles. »

Notamment, la quantité d'électricité et de chaleur que le dioxyde de vanadium peut conduire est réglable en le mélangeant avec d'autres matériaux. Lorsque les chercheurs ont dopé des échantillons de dioxyde de vanadium monocristallin avec du tungstène métallique, ils ont abaissé la température de transition de phase à laquelle le dioxyde de vanadium devient métallique. À la fois, les électrons de la phase métallique sont devenus de meilleurs conducteurs de chaleur. Cela a permis aux chercheurs de contrôler la quantité de chaleur que le dioxyde de vanadium peut dissiper en faisant passer sa phase d'isolant à métal et vice versa, à des températures réglables.

De tels matériaux peuvent être utilisés pour aider à récupérer ou à dissiper la chaleur dans les moteurs, ou être transformé en un revêtement de fenêtre qui améliore l'utilisation efficace de l'énergie dans les bâtiments, les chercheurs ont dit.

"Ce matériau pourrait être utilisé pour aider à stabiliser la température, " a déclaré Fan Yang, co-auteur principal de l'étude, chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science où une partie de la recherche a été effectuée. "En ajustant sa conductivité thermique, le matériau peut dissiper efficacement et automatiquement la chaleur en été chaud car il aura une conductivité thermique élevée, mais évite les pertes de chaleur pendant l'hiver froid en raison de sa faible conductivité thermique à des températures plus basses."

Le dioxyde de vanadium a l'avantage supplémentaire d'être transparent en dessous d'environ 30 degrés Celsius (86 degrés Fahrenheit), et absorbant la lumière infrarouge au-dessus de 60 degrés Celsius (140 degrés Fahrenheit).

Yang a noté qu'il y a d'autres questions auxquelles il faut répondre avant que le dioxyde de vanadium puisse être commercialisé, mais a déclaré que cette étude met en évidence le potentiel d'un matériau aux "propriétés électriques et thermiques exotiques".

Bien qu'il existe une poignée d'autres matériaux en plus du dioxyde de vanadium qui peuvent mieux conduire l'électricité que la chaleur, ceux-ci se produisent à des températures de plusieurs centaines de degrés en dessous de zéro, rendant difficile le développement d'applications dans le monde réel, disaient les scientifiques.