Sau phát hiện mang tính chấn động về thể kim loại của hydro, hôm nay các nhà khoa học lại tìm ra một chất có thể dẫn điện tốt mà hầu như không phát sinh nhiệt.
Giáo sư Junqiao Wu (áo tím) cùng các cộng sự tại Berkeley.
Tưởng như tính chất độc đáo này chỉ xuất hiện trên những vật liệu dẫn ở nhiệt độ siêu hàn thì giờ đây, nhóm nghiên cứu đến từ phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã chứng minh rằng Vanadium Dioxide (VO2) cũng có tính chất tương tự ở mức nhiệt độ khoảng 67 độ C. Nếu không tỏa nhiệt hay tỏa rất ít nhiệt thì điện trở R của VO2 cũng rất thấp, từ đó dẫn đến khả năng dẫn điện cực tốt, hiệu suất cực cao. Biết đâu trong tương lai, những con chip hay mạch dẫn trong thiết bị điện tử hay thậm chí là dây điện sẽ được làm bằng một loại hợp kim VO2. Lúc đó điện thoại sẽ không còn nóng nữa, pin sẽ lâu hơn hay dây điện sẽ truyền tải điện hiệu quả hơn, tiết kiệm đáng kể tiền điện hàng tháng.
Đối với tất cả kim loại được tìm thấy trên Trái Đất thì hầu hết chúng đều có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Các electron là thành phần chịu trách nhiệm cho chuyển động của dòng điện và nhiệt. Theo định luật Wiedemann-Franz, kim loại có thể dẫn điện tốt như dẫn nhiệt, thể hiện sự tương quan bắt buộc giữa 2 thuộc tính dẫn này.
Tuy nhiên, Vanadium Dioxide (VO2) lại rất khác biệt. Khi các nhà nghiên cứu cho một dòng điện chạy qua một thanh dẫn bằng VO2 đơn tinh thể ở tỉ lệ nano và tiến hành đo nhiệt thì lượng nhiệt được tạo ra bởi chuyển động của electron trên thực tế chỉ bằng 1/10 so với tỉ lệ tính toán dựa trên định luật Wiedemann-Franz.
Theo giáo sư Junqiao Wu - một nhà vật lý đến từ bộ phận khoa học vật liệu tại Lawrence Berkeley: "Đây thật sự là một phát hiện ngoài dự đoán. Nó đã phá vỡ một định luật được cho là rất chắc chắn và thuyết phục trong suốt thời gian qua về tính dẫn của kim loại. Phát hiện này là nền tảng quan trọng cho những hiểu biết của chúng ta về hoạt động của electron trong những chất dẫn khác thường."
Khi được làm nóng đến nhiệt độ 67 độ C, VO2 đột ngột chuyển đổi từ một chất cách điện thành dẫn điện do sự thay đổi về cấu trúc tinh thể của nó. Sự sắp xếp có cấu trúc của VO2 thành một kim loại giải thích cho khả năng truyền dẫn điện mà không sinh nhiều nhiệt.
Ở tỉ lệ nano, những mô hình truyền thống về mối tương quan giữa điện và nhiệt của chất dẫn không còn đúng nữa. VO2 dẫn điện nhưng nhiệt được truyền đi bởi dao động phonon (giả hạt hay chuẩn hạt có đặc tính lượng tử của chế độ dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của chất rắn).
Ở nhiệt độ thường, những đợt sóng phonon truyền đi trong kim loại có thể làm cản trở sự di chuyển tự do của electron trong cấu trúc bởi các phonon đưa các nguyên tử ra khỏi trạng thái cân bằng, từ đó khiến chúng trở thành hàng rào chắn electron.
Ngược lại, ở nhiệt độ siêu thấp, sóng dao động phonon khiến các nguyên tử trở về trạng thái gần như đứng im. Điều này cho phép dòng electron di chuyển tự do mà không làm tăng nhiệt độ bởi electron không bị cản trở nên chúng không va chạm vào nhau, không mất năng lượng. Đây là lý do tại sao nhiều loại kim loại trở thành chất siêu dẫn ở các mức nhiệt độ siêu hàn.
Tinh thể Vanadium.
Tuy nhiên, VO2 lại thay đổi tính chất từ cách điện sang dẫn điện và điều đáng chú ý là nó sản sinh rất ít nhiệt lượng. Điều này cho thấy các electron trong vật liệu này bằng cách nào đó có thể di chuyển tự do để tạo ra dòng điện mà không gặp trở ngại như nhiều kim loại khác gặp phải ở nhiệt độ thông thường.
Qua nhiều phép đo từ mô hình hóa trên máy tính, quan sát bằng tia X, các nhà nghiên cứu tin rằng VO2 trong pha chuyển đổi tính dẫn có thể được mô tả như một dạng chất lỏng non-Fermi (không sắt).
Chất lỏng Fermi là một mô hình về trạng thái thông thường của hầu hết kim loại ở nhiệt độ thấp trong đó các electron thu thập nhiều electron khác trên đường chúng di chuyển dọc theo vật liệu, từ đó tích lũy một khối lượng bền tương đương các lượng tử năng lượng (quasiparticle) có vị trí và động lượng riêng. Những hạt lượng tử năng lượng này thường có tỉ lệ phân tán cao trong kim loại ở nhiệt độ phòng do các hạt xung quanh va chạm vào khi chúng di chuyển trong vật liệu.
Chất lỏng không Fermi ngược lại được cho là không tạo ra các hạt lượng tử năng lượng bền để truyền tải điện tích và nhiệt. Trong những vật liệu này, nếu mật độ electron không cân bằng, electron sẽ bị khuếch tán giống như chất lỏng, tức là electron sẽ chảy từ những vùng có mật độ electron cao xuống nơi có mật độ thấp hơn và quá trình này tạo ra dòng điện. Trong những trường hợp như vậy, như VO2 thì nhiệt lượng được truyền đi bởi các phonon trong đó bộ đôi phonon và electron sẽ đem theo và phát tán nhiệt dưới dạng năng lượng cơ học (ở đây là sóng dao động) dọc theo bề mặt của vật liệu.
Nói cách khác, VO2 trong quá trình chuyển dịch đặc tính dẫn đã thực hiện cả 2 vai trò vừa là chất dẫn, vừa là chất cách ly, từ đó tạo ra một trạng thái giống bán dẫn có thể giữ vị trí của các electron thành hàng và cho phép chúng truyền qua vật liệu một cách đồng nhất. Theo giáo sư Wu: "Các electron đã di chuyển đồng loạt cùng nhau giống như chất lỏng thay vì di chuyển thành từng hạt rời rạc trong kim loại thông thường. Đối với các electron, nhiệt là một chuyển động ngẫu nhiên. Kim loại thông thường truyền nhiệt hiệu quả bởi có rất nhiều thiết lập hiển vi khác nhau mà mỗi electron đơn lẻ có thể bị đẩy ra khỏi dòng electron, va chạm vào nhau và sinh nhiệt. Ngược lại, chuyển động đồng đều của các electron bên trong VO2 gây bất lợi cho khả năng dẫn nhiệt bởi các electron không có nhiều cơ hội ’đi lạc’."
Theo các nhà nghiên cứu, VO2 có thể thay đổi tỉ số điện nhiệt nếu kết hợp nó với các kim loại khác. Chẳng hạn như khi đưa VO2 đơn tinh thể vào Tungsten (Wolfram (W)), họ có thể giảm nhiệt độ của pha chuyển đổi đặc tính dẫn của hợp kim này đồng thời cải thiện dòng electron.
Vanadium dioxide hiện là một vật liệu rất độc đáo khi nó trở nên trong suốt ở 30 độ C và phản chiếu ánh sáng hồng ngoại ở 60 độ C. Nó cũng có khả năng biến đổi thành trạng thái trong mờ trong chỉ 100 femto giây khi được bắn phá bởi một tia laser. Hiện tại với những đặc tính vừa phát hiện, các nhà nghiên cứu tin rằng VO2 có thể trở thành một giải pháp dẫn điện cách nhiệt.
