Los investigadores han identificado un metal que conduce electricidad sin conducir calor, una propiedad increíblemente útil que desafía nuestra comprensión actual de cómo funcionan los conductores.
El metal, encontrado en 2017, contradice algo llamado Ley Wiedemann-Franz, que básicamente establece que los buenos conductores de electricidad también serán proporcionalmente buenos conductores de calor, por lo que cosas como motores y electrodomésticos se calientan tanto cuando los usas regularmente.
Pero un equipo en los EE. UU. Demostró que este no es el caso de los metálicos dióxido de vanadio (VO2) – un material que ya es conocido por su extraña capacidad de cambiar de un aislante transparente a un metal conductor a la temperatura de 67 grados centígrados (152 grados Fahrenheit).
"Este fue un hallazgo totalmente inesperado" dijo el investigador principal Junqiao Wu
"Muestra un desglose drástico de una ley de libros de texto que se sabe que es sólida para los conductores convencionales. Este descubrimiento es de fundamental importancia para comprender el comportamiento electrónico básico de los nuevos conductores".
Esta propiedad inesperada no solo cambia lo que sabemos sobre los conductores, sino que también podría ser increíblemente útil: el metal podría algún día usarse para convertir el calor desperdiciado de motores y electrodomésticos en electricidad, o incluso crear mejores revestimientos de ventanas que mantengan los edificios frescos.
Los investigadores ya sabían de un puñado de otros materiales que conducen la electricidad mejor que el calor, pero solo muestran esas propiedades a temperaturas de cientos de grados bajo cero, lo que las hace muy poco prácticas para cualquier aplicación del mundo real.
El dióxido de vanadio, por otro lado, generalmente es solo un conductor a temperaturas cálidas muy por encima de la temperatura ambiente, lo que significa que tiene la capacidad de ser mucho más práctico.
Para descubrir esta extraña propiedad, el equipo observó la forma en que los electrones se mueven dentro de la red cristalina de dióxido de vanadio, así como la cantidad de calor que se genera.
Sorpren dentemente, descubrieron que la conductividad térmica que se podía atribuir a los electrones en el material era 10 veces menor que la cantidad prevista por la Ley Wiedemann-Franz.
La razón de esto parece ser la forma sincronizada en que los electrones se mueven a través del material.
"Los electrones se movían al unísono entre sí, como un fluido, en lugar de como partículas individuales como en los metales normales". dijo Wu.
"Para los electrones, el calor es un movimiento aleatorio. Los metales normales transportan el calor de manera eficiente porque hay tantas configuraciones microscópicas posibles diferentes que los electrones individuales pueden saltar".
"Por el contrario, el movimiento coordinado, similar a una banda de marcha de los electrones en el dióxido de vanadio es perjudicial para la transferencia de calor, ya que hay menos configuraciones disponibles para que los electrones salten aleatoriamente", agregó.
Curiosamente, cuando los investigadores mezclaron el dióxido de vanadio con otros materiales, pudieron 'ajustar' la cantidad de electricidad y calor que podría conducir, lo que podría ser increíblemente útil para futuras aplicaciones.
Por ejemplo, cuando los investigadores agregaron el tungsteno metálico al dióxido de vanadio, bajaron la temperatura a la que el material se volvió metálico y también lo convirtieron en un mejor conductor de calor.
Eso significa que el dióxido de vanadio podría ayudar a disipar el calor de un sistema, al conducir calor solo cuando alcanza una cierta temperatura. Antes de eso sería un aislante.
El dióxido de vanadio también tiene la capacidad única de ser transparente a alrededor de 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), pero luego refleja la luz infrarroja por encima de 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit) mientras permaneciendo transparente a la luz visible.
Eso significa que incluso podría usarse como un revestimiento para ventanas que reduce la temperatura sin la necesidad de aire acondicionado.
"Este material podría usarse para ayudar a estabilizar la temperatura" dijo uno de los investigadores, Fan Yang.
"Al ajustar su conductividad térmica, el material puede disipar el calor de manera eficiente y automática en el caluroso verano porque tendrá una alta conductividad térmica, pero evitará la pérdida de calor en el frío invierno debido a su baja conductividad térmica a temperaturas más bajas".
Se necesita mucha más investigación sobre este material desconcertante antes de que se comercialice aún más, pero es bastante emocionante que ahora sepamos que estas propiedades extrañas existen en un material a temperatura ambiente.
La investigación fue publicado en Ciencia en 2017
Una versión de este artículo se publicó por primera vez en enero de 2017.