Článek
Věda nám neustále připomíná, že i v oblastech, které považujeme za pevně dané, se mohou objevit objevy, které nás donutí přehodnotit naše chápání světa kolem nás. A přesně to se stalo nedávno, když vědci narazili na materiál s naprosto nečekaným chováním. Jeho jméno je oxid vanadičitý (VO₂) a to, jak vede teplo a elektřinu, se zdá v jistém ohledu popírat jeden z klasických zákonů fyziky.
Představte si materiál, který v jednom okamžiku funguje jako izolant – nevede elektřinu ani teplo nijak zvlášť dobře. Ale pak, když se nepatrně zahřeje, projde dramatickou proměnou a stane se z něj kov – skvěle vedoucí elektřinu. To už samo o sobě je fascinující. Vědce z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a University of California, Berkeley, ve spolupráci s dalšími institucemi, však zaujalo něco jiného: způsob, jakým tento materiál vede teplo v jeho kovové fázi.
Klasický zákon vs. nečekaná realita
U většiny kovů platí takzvaný Wiedemannův-Franzův zákon. Tento zákon, formulovaný už v polovině 19. století, říká, že poměr tepelné vodivosti (jak dobře materiál vede teplo) a elektrické vodivosti (jak dobře vede elektřinu) je přímo úměrný teplotě. Jinými slovy, materiály, které dobře vedou elektřinu, by měly zároveň dobře vést i teplo, a naopak. Proč? Protože v běžných kovech jsou hlavními nosiči náboje i tepla tytéž částice – elektrony. Představte si elektrony jako malé kurýry, kteří přenášejí jak elektrický náboj (vytvářející elektrický proud), tak i energii (teplo) skrze materiál.
Vzorec zákona vypadá elegantně:
k
- =LT
σ
kde k je tepelná vodivost, σ je elektrická vodivost, T je teplota a L je Lorentzovo číslo, konstanta, která by měla být víceméně stejná pro všechny kovy.
Prostě řečeno: pokud kov skvěle vede elektřinu (vysoké σ), měl by skvěle vést i teplo (vysoké k). A to víceméně platí pro většinu známých kovů, od mědi v drátech až po hliník v chladičích.
A teď přichází na scénu oxid vanadičitý (VO₂). Když se zahřeje na teplotu kolem 67 stupňů Celsia (což není nijak extrémně vysoká teplota, představte si horký letní den nebo šálek horké kávy), projde fázovým přechodem z izolačního stavu do kovového. A právě v tomto kovovém stavu se chová velmi podivně. Vědci zjistili, že zatímco jeho elektrická vodivost prudce stoupne, jeho tepelná vodivost zůstává překvapivě nízká ve srovnání s tím, co by předpovídal Wiedemannův-Franzův zákon!
Jinými slovy, VO₂ v kovové fázi je dobrý elektrický vodič, ale relativně špatný tepelný vodič, což je pro kov zcela neobvyklé. Jeho chování se vymyká zavedené předpovědi.
Kde se skrývá tajemství? Nejsou to elektrony!
Pokud ne elektrony, co tedy primárně nese teplo v kovovém VO₂? Vědci pomocí sofistikovaných experimentálních technik a teoretických výpočtů zjistili, že hlavními nosiči tepla v tomto případě nejsou elektrony, ale fonony.
Co jsou fonony? Zjednodušeně řečeno, fonony jsou kvanta vibrací krystalové mřížky materiálu. Představte si atomy v pevné látce jako kuličky spojené pružinkami. Tyto kuličky neustále vibrují. Teplo v pevných látkách se šíří právě prostřednictvím těchto vibrací, které se přenášejí mřížkou od atomu k atomu. V běžných kovech přenášejí teplo jak elektrony, tak fonony, ale příspěvek elektronů je obvykle dominantní, protože elektrony jsou velmi pohyblivé.
V oxidu vanadičitém v kovové fázi je situace jiná. Vědci zjistili, že elektrony sice vedou elektrický proud, ale z nějakého důvodu efektivně nepřenášejí teplo. Jsou jako auta, která se pohybují po městě (vedou proud), ale nepřevážejí zásilky (teplo). Naproti tomu fonony, vibrace mřížky, v tomto materiálu nesou teplo mnohem efektivněji, než by se čekalo od kovu. Jsou jako efektivní autobusy, které převážejí „tepelné zásilky“, aniž by přenášely elektrický náboj.
Proč se elektrony v kovovém VO₂ chovají tak odlišně? Klíčem je, že oxid vanadičitý patří mezi takzvané materiály se silně korelovanými elektrony. To znamená, že elektrony v tomto materiálu na sebe navzájem silně interagují, což ovlivňuje jejich chování způsobem, který není popsán jednoduchými modely používanými pro běžné kovy. Tyto silné interakce zřejmě nějakým způsobem brání elektronům v efektivním přenosu tepelné energie, zatímco fonony si s přenosem tepla poradí překvapivě dobře.
Proč je to důležité a co to znamená pro budoucnost?
Tento objev je významný z několika důvodů:
- Základní fyzika: Ukazuje se, že naše chápání vedení tepla v kovech není úplné, zejména u materiálů, kde hrají významnou roli interakce mezi elektrony. Nutí nás to přemýšlet o tom, jak se energie šíří složitými materiály na té nejzákladnější úrovni. Je to připomínka, že "pravidla" nemusí platit vždy a všude, jak jsme si mysleli.
- Potenciální aplikace: Materiály, které vedou elektřinu, ale izolují teplo (nebo naopak), jsou velmi žádané pro různé technologické aplikace.
- Termoelektrika: Materiály, které efektivně přeměňují tepelnou energii na elektrickou a naopak, jsou klíčové pro systémy získávání energie z odpadního tepla (např. v autech, průmyslu) nebo pro účinné chlazení. Materiál, který dobře vede elektřinu a špatně teplo, je pro termoelektrické aplikace velmi slibný, protože umožňuje udržet na svých koncích velký teplotní rozdíl při průchodu proudu.
- Řízení tepla v elektronice: Moderní elektronika generuje hodně tepla. Potřebujeme materiály, které efektivně odvádějí teplo z citlivých součástek, ale zároveň mohou sloužit jako elektrické vodiče nebo izolátory. Materiál s oddělenými cestami pro teplo a elektrický proud by mohl být revoluční.
Další oblasti: Od senzorů po nové typy přepínačů.
Výzkumníci jako Fan Yang a Jian Shi z týmu v Berkeley Lab, kteří na tomto projektu pracovali, otevírají dveře k navrhování a syntéze nových materiálů s přesně definovanými vlastnostmi. Možná dokážeme vytvořit materiály šité na míru pro konkrétní účely – extrémně dobré elektrické vodiče, které jsou zároveň tepelné izolanty, nebo naopak.
Objev neobvyklého chování oxidu vanadičitého je vzrušujícím příkladem toho, jak základní výzkum na poli materiálové vědy a fyziky kondenzovaných látek může vést k naprosto nečekaným poznatkům, které mají potenciál zásadně ovlivnit budoucí technologie. Ukazuje se, že i v „obyčejných“ materiálech, jako je relativně běžný oxid kovu, se mohou skrývat překvapivé a dosud neobjevené vlastnosti, které nás nutí přehodnocovat to, co si myslíme, že víme o fungování světa na atomární úrovni.
Svět materiálů je plný tajemství a oxid vanadičitý nám právě poodhalil jedno z těch fascinujících, které nám ukazuje, že cesty tepla a elektřiny se mohou v mikrokosmu hmoty ubírat zcela nezávisle, navzdory tomu, co nám říkají staletí platné zákony pro běžné kovy. A to je, přiznejme si, docela ohromující zjištění.
