Tìm Ra Loại Vật Liệu Dẫn Điện Mới Không Sinh Nhiệt

Khoảng đầu tháng 02/2017, tiếp theo sau phát hiện mang tính chấn động về thể kim loại của hydro, các nhà khoa học đã tìm ra một loại vật chất có thể dẫn điện tốt mà hầu như không phát sinh nhiệt.

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 những vật liệu dẫn ở nhiệt độ siêu hàn, ở mức nhiệt độ khoảng 67 độ C. Nếu không tỏa nhiệt hay tỏa rất ít nhiệt, điện trở R của VO2 cũng rất thấp, từ đó dẫn đến khả năng dẫn điện cực tốt và hiệu suất cực cao.

Trong tương lai, rất có thể sẽ có 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. Smartphone sẽ không còn bị quá nhiệt, tuổi thọ pin sẽ lâu hơn hay dây điện sẽ truyền tải điện hiệu quả hơn, tiết kiệm đáng kể tiền điện hàng tháng.

Nhìn chung, hầu hết tất cả kim loại được tìm thấy trên Trái Đất đều có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Các electron 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.

Tuy nhiên, Vanadium Dioxide (VO2) là trường hợp rất khác biệt. 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, kết quả thu được là 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.

Giáo sư Junqiao Wu nhận xét: “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 mới là nền tảng quan trọng cho những hiểu biết của con người về hoạt động của electron trong những chất dẫn khác thường”

Cụ thể hơn, 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. 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 đắn. VO2 dẫn điện nhưng nhiệt được truyền đi bởi dao động phonon – là loại 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.

Khi ở điều kiện 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. Còn 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.

Tuy nhiên, VO2 đã thay đổi tính chất từ cách điện sang dẫn điện, đặc biệt là nó sản sinh rất ít nhiệt lượng. Các electron đã 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. 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. Đây 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, 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 thường có tỉ lệ phân tán cao trong kim loại ở nhiệt độ phòng, vì các hạt xung quanh va chạm vào khi chúng di chuyển trong vật liệu.

Chất lỏng không Fermi được cho là không tạo ra các hạt lượng tử năng lượng bền để truyền tải điện tích và nhiệt. Nếu mật độ electron không cân bằng, electron sẽ bị khuếch tán giống như chất lỏng, có nghĩa là electron sẽ chảy từ những vùng có mật độ electron cao xuống nơi có mật độ thấp hơn. Chính quá trình này tạo ra dòng điện. Với VO2, 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 dọc theo bề mặt của vật liệu.

Hay nói theo cách khác, trong quá trình chuyển dịch đặc tính dẫn, VO2 đã thực hiện cả 2 vai trò: vừa là chất dẫn, vừa là chất cách ly, 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. Giáo sư Wu giải thích thêm: “Các electron đã di chuyển đồng loạt cùng nhau, tương tự như trong 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. Thông thường, kim loại truyền nhiệt hiệu quả vì 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 ra nhiệt. Ngược lại, chuyển động đồng đều của các electron bên trong VO2 gây bất lợi cho khả năng dẫn nhiệt, vì các electron không có nhiều cơ hội loạn lạc”

Nhóm nghiên cứu cho hay, VO2 có thể thay đổi tỉ số điện nhiệt nếu kết hợp với các kim loại khác. Chẳng hạn như, khi đưa VO2 đơn tinh thể vào Tungsten (Wolfram), có thể giảm nhiệt độ của pha chuyển đổi đặc tính dẫn của hợp kim này, đồng thời cải thiện dòng electron.

VO2 hiện là một vật liệu rất độc đáo, 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 tia laser. Nhóm nghiên cứu tin rằng VO2 có khả năng trở thành một giải pháp dẫn điện cách nhiệt.