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    山東化學(xué)化工學(xué)會

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    研究發(fā)現(xiàn)二氧化釩超低熱導(dǎo)率,“打破”物理定律

    瀏覽次數(shù): 342   發(fā)布時間:2017-03-28 17:52:07   發(fā)布人:editor

       最近,美國華裔科學(xué)獎吳軍橋領(lǐng)銜的一項科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)二氧化釩材料在導(dǎo)電時,產(chǎn)生的熱量十分微小,遠低于威德曼-弗朗茲定律的預(yù)期,打破了該經(jīng)典物理定律。這項科學(xué)發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1月27日的《科學(xué)》雜志上,它將帶來一些列更廣泛的應(yīng)用,例如一種熱電系統(tǒng),它可以將引擎和設(shè)備產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為電能。

     
      威德曼-弗朗茲定律
     
      威德曼-弗朗茲定律,是關(guān)于材料「熱導(dǎo)率λ」與「電導(dǎo)率σ」之間的關(guān)系的定律。德國物理學(xué)家G.H.威德曼和R.弗朗茲于由大量實驗事實發(fā)現(xiàn),許多金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的比值都是一個常數(shù),這一規(guī)律稱為威德曼一弗朗茲定律。1891年H.A.洛倫茲進一步發(fā)現(xiàn),比值λ/σT是與金屬種類無關(guān)的常數(shù),T是絕對溫度,這常數(shù)用L表示,稱洛倫茲數(shù)。
     
      簡單點說,定律說明材料的導(dǎo)電性能越好,那么導(dǎo)熱性能也越好良好。
     
      二氧化釩
     
      然而,二氧化釩材料卻是一個例外,它并不遵守這一定律。
     
      二氧化釩是一種具有相變性質(zhì)的金屬氧化物,其相變溫度為67℃左右,在達到相變溫度時可以從絕緣體變化為金屬,相變前后其對紅外光可產(chǎn)生由透射向反射的可逆轉(zhuǎn)變。
     
      在美國橡樹嶺國家實驗室納米相材料科學(xué)中心,美國田納西大學(xué)研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國科學(xué)家合作,借助凝聚物理學(xué)理論成功地解釋了二氧化釩的相行為。他們發(fā)現(xiàn)二氧化釩發(fā)生的多相競爭現(xiàn)象是由晶格對稱所引起的,在冷卻時二氧化釩晶格能夠以不同的方式發(fā)生“折疊”,因此人們所觀察到的現(xiàn)象是二氧化釩不同的折疊形態(tài)。
     
      伯克利實驗室材料科學(xué)部門的物理學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)和工程系教授、這項研究首席調(diào)查員吳軍橋評論說:
     
      “這是一個完全意想不到的發(fā)現(xiàn)!教科書上對于傳統(tǒng)導(dǎo)體來說牢不可破的物理定律,由于這項發(fā)現(xiàn)而瓦解了。這項發(fā)現(xiàn)對于理解新穎的導(dǎo)體的基本電子行為,具有根本的重要意義。”
     
      研究過程
     
      吳教授和他領(lǐng)銜的研究團隊與來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的杜克大學(xué)副教授 Olivier Delaire合作,展開了二氧化釩特性的研究。通過仿真和X射線散射實驗,他們梳理出材料的晶格振動(聲子)和電子運動,對于熱導(dǎo)率的影響比率。
     
      令他們感到驚訝的是,他們發(fā)現(xiàn)由電子運動引起的熱導(dǎo)率,還未達到威德曼-弗朗茲定律的期望值的十分之一。
     
      由伯克利研究人員合成的二氧化釩納米梁(VO2),具有奇異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。在假彩色掃描電子顯微鏡圖像中,導(dǎo)熱系數(shù)通過從紅色的熱源板導(dǎo)藍色的感知板之間傳導(dǎo)的熱量測量計算而來。兩個板之間由VO2納米梁傳導(dǎo)熱量。
     
      對于這個現(xiàn)象,吳教授如此解釋:“電子在運動時具有相互一致性,就像液體一樣,而不像普通金屬中的單個粒子。對于電子而言,熱量是一種隨機運動。普通金屬可以有效地傳導(dǎo)熱量,是由于單個電子可以在許多不同可能性的微觀形態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。相對而言,二氧化釩中的電子,彼此協(xié)調(diào)一致,就像軍樂隊一樣,對于熱量傳導(dǎo)不利。這是由于電子可以隨機切換的形態(tài)變少了。”
     
      尤其是,通過讓二氧化釩與其他物質(zhì)混合,可以調(diào)節(jié)其導(dǎo)電和導(dǎo)熱的數(shù)量。當(dāng)研究人員在單晶二氧化釩樣本中摻入金屬鎢時,二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時,金屬相中的電子變成更好的導(dǎo)熱體。這使得二氧化釩從絕緣體向金屬進行相變時,研究人員可以控制散發(fā)的熱量,反之亦然,溫度也可以調(diào)節(jié)。
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