Os pesquisadores identificaram um metal que conduz eletricidade sem conduzir calor – uma propriedade incrivelmente útil que define nosso entendimento atual de como os condutores funcionam.

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O metal, encontrado em 2017, contradiz algo chamado Lei Wiedemann-Franz, que basicamente afirma que bons condutores de eletricidade também serão proporcionalmente bons condutores de calor, e é por isso que coisas como motores e eletrodomésticos ficam tão quentes quando você as usa regularmente.

Mas uma equipe nos EUA mostrou que esse não é o caso do dióxido de vanádio metálico (VO2) – um material que já é bem conhecido por sua estranha capacidade de mudar de um isolador transparente para um metal condutor à temperatura de 67 graus Celsius.

“Esta foi uma descoberta totalmente inesperada”, disse o pesquisador principal Junqiao Wu da Divisão de Ciências dos Materiais do Berkeley Lab.

“Ele mostra uma quebra drástica de uma lei de livros didáticos que é conhecida por ser robusta para condutores convencionais. Essa descoberta é de fundamental importância para a compreensão do comportamento eletrônico básico de novos condutores”.

Essa propriedade inesperada não apenas altera o que sabemos sobre condutores, mas também pode ser incrivelmente útil – o metal poderia um dia ser usado para converter calor desperdiçado de motores e eletrodomésticos em eletricidade, ou criar coberturas de janelas melhores para manter os edifícios resfriados.

Os pesquisadores já conheciam alguns outros materiais que conduzem eletricidade melhor que o calor, mas eles apenas exibem essas propriedades em temperaturas centenas de graus abaixo de zero, o que as torna altamente impraticáveis ​​para qualquer aplicação do mundo real.

O dióxido de vanádio, por outro lado, geralmente é apenas um condutor em temperaturas quentes bem acima da temperatura ambiente, o que significa que ele tem a capacidade de ser muito mais prático.

Para descobrir essa propriedade bizarra, a equipe analisou a maneira como os elétrons se movem dentro da estrutura de cristal do dióxido de vanádio, além de quanto calor estava sendo gerado.

Surpreendentemente, eles descobriram que a condutividade térmica que poderia ser atribuída aos elétrons no material era 10 vezes menor do que a quantidade prevista pela Lei Wiedemann-Franz.

A razão para isso parece ser a maneira sincronizada pela qual os elétrons se movem através do material.

“Os elétrons estavam se movendo em uníssono um com o outro, muito parecido com um fluido, em vez de partículas individuais como nos metais normais”, disse Wu.

“Para os elétrons, o calor é um movimento aleatório. Os metais normais transportam o calor com eficiência, porque existem tantas configurações microscópicas possíveis que os elétrons individuais podem saltar entre eles”.

“Por outro lado, o movimento coordenado de elétrons em forma de banda no dióxido de vanádio é prejudicial à transferência de calor, pois há menos configurações disponíveis para que os elétrons pulem aleatoriamente”, acrescentou.

Curiosamente, quando os pesquisadores misturaram o dióxido de vanádio com outros materiais, eles poderiam “ajustar” a quantidade de eletricidade e calor que ele poderia conduzir – o que poderia ser incrivelmente útil para futuras aplicações.

Por exemplo, quando os pesquisadores adicionaram o tungstênio metálico ao dióxido de vanádio, eles abaixaram a temperatura na qual o material se tornou metálico e também o tornaram um melhor condutor de calor.

Isso significa que o dióxido de vanádio pode ajudar a dissipar o calor de um sistema, apenas conduzindo calor quando atinge uma certa temperatura. Antes disso, seria um isolador.

O dióxido de vanádio também tem a capacidade única de ser transparente a cerca de 30 graus Celsius, mas depois reflete a luz infravermelha acima de 60 graus Celsius, permanecendo transparente à luz visível.

Isso significa que pode até ser usado como revestimento de janela que reduz a temperatura sem a necessidade de ar-condicionado.

“Este material pode ser usado para ajudar a estabilizar a temperatura”, disse um dos pesquisadores, Fan Yang.

“Ao ajustar sua condutividade térmica, o material pode dissipar o calor de maneira eficiente e automática no verão quente, porque terá alta condutividade térmica, mas evita a perda de calor no inverno frio, devido à sua baixa condutividade térmica a temperaturas mais baixas”.

Muito mais pesquisa precisa ser feita sobre esse material intrigante antes de ser comercializado, mas é bastante interessante saber que agora essas propriedades existem em um material à temperatura ambiente.

A pesquisa foi publicada na Science.

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