Khám phá ra vật chất truyền điện nhưng không truyền nhiệt, đi ngược lại với sách giáo khoa

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận sự tồn tại của một thứ kim loại có khả năng dẫn điện mà không truyền nhiệt, một đặc tính cực kỳ hữu dụng có thể khiến dây dẫn điện bước sang trang sử mới. Khoa học lần đầu tiên phát hiện thứ kim loại này vào năm 2017, họ bỡ ngỡ khi nó đi ngược lại với Định luật Wiedemann-Franz - cho rằng vật dẫn điện tốt sẽ dẫn nhiệt tốt, chính là lý do tại sao ta thấy đồ điện được vận hành liên tục lại nóng lên.

Thứ vật chất đang “nằm trong diện nghi vấn” là vanadium dioxide (VO2), thử nghiệm cho thấy nó truyền được điện mà lại không truyền nhiệt. Khoa học vừa ngạc nhiên nhưng ít nhiều họ cũng đã được chuẩn bị tinh thần trước: VO2 vốn đã kỳ lạ, một khối kính VO2 sẽ trong suốt ở nhiệt độ dưới 30 độ C nhưng sẽ tối lại ở nhiệt độ trên 60 độ C, biến nó thành một loại kính chắn ánh sáng chỉ với dòng điện chạy qua, có thể ứng dụng lên cửa sổ hoặc cửa kính ô tô.

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Berkeley đang thử nghiệm với VO2.

“Phát hiện mới quả là bất ngờ”, trưởng ban nghiên cứu Junqiao Wu từ Ban Khoa học Vật chất thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley cho hay. “Đây là vật liệu đi ngược lại với định luật có có sách giáo khoa bấy lâu nay, vốn khẳng định đặc tính của vật liệu dẫn điện truyền thống. Khám phá này mang tầm quan trọng lớn, cho phép ta hiểu bản chất của những vật liệu dẫn điện lạ thường”.

Lạ là một phần, vật liệu mới có thể còn hữu dụng nữa. Các nhà khoa học đã nghĩ ra những ứng dụng tương lai của VO2, ví dụ như biến nhiệt lượng thừa từ động cơ thành điện năng, hoặc sử dụng VO2 như một lớp kính cách nhiệt hiệu quả.

Giới nghiên cứu cũng đã có một danh sách những chất có thể dẫn điện tốt hơn dẫn nhiệt, thế nhưng đặc tính kỳ lạ này chỉ xuất hiện khi vật liệu nằm trong môi trường nhiều trăm độ âm, khó có thể ứng dụng chúng vào đời thường.  Ngược lại, VO2 có thể truyền điện chỉ với nhiệt độ ấm, thực tế hơn nhiều.

Để tìm hiểu kỹ hơn về thuộc tính kỳ lạ này, đội nghiên cứu quan sát cách electron vận động bên trong lưới tinh thể của VO2, bên cạnh đó đo đạc xem nhiệt lượng sinh ra là bao nhiêu. Đáng ngạc nhiên thay, họ phát hiện ra rằng việc truyền nhiệt sinh ra bởi hoạt động của electron bên trong vật liệu này nhỏ hơn 10 lần so với lượng mà Định luật Wiedemann-Franz chỉ ra. Rõ ràng, electron đã vận động theo một cách thức nào đó khác.

“Các electron di chuyển theo một thể thống nhất không khác gì dòng dung dịch chảy, chứ không hoạt động dưới dạng các hạt đơn lẻ mà ta thường thấy trong kim loại thường”, giáo sư Wu nói.

“Với electron, nhiệt là thành quả của vận động ngẫu nhiên. Kim loại thường truyền nhiệt hiệu quả bởi lẽ có rất nhiều khoảng trống hiển vi để các electron di chuyển tự do. Ngược lại, electron chuyển động nhất quán trong vanadium dioxide không sinh nhiều nhiệt”.

Đáng chú ý hơn nữa, khi các nhà nghiên cứu trộn lẫn VO2 với các vật liệu khác, họ có thể điều chỉnh lượng điện và lượng nhiệt di chuyển bên trong vật liệu. Ví dụ, họ cho thêm vonfram vào VO2 và khiến tổ hợp trở thành một chất dẫn nhiệt hiệu quả hơn. Điều đó có nghĩa rằng VO2 có khả năng tản nhiệt, khi mà nó chỉ truyền nhiệt khi nóng lên tới một độ nhất định. Khi chưa đạt nhiệt độ đó, nó lại là chất cách nhiệt.

Tuy nhiên, ta chưa thể vội mừng và ngay lập tức ứng dụng VO2 vào thực tế, vẫn còn nhiều bài thử trước mắt. Ta vẫn có quyền hy vọng vào một tương lai vừa sáng vừa ấm, khi biết khoa học vẫn chưa khám phá ra hết các đặc tính hữu dụng của vật liệu. Khoa học vật chất kỳ diệu làm sao!

Tham khảo Science Alert