Kovový exot oxid vanadičitý v experimentu. Kredit: Junqiao Wu/Berkeley Lab.

Pro většinu kovů upravuje vztah elektrickou a tepelnou vodivostí empirický Wiedemannův-Franzův zákon. Jednoduše řečeno, tento zákon vyjadřuje, že materiály, které dobře vedou elektřinu, také dobře vedou teplo. Jenže to neplatí vždycky. Jak ve své nové studii, uveřejněné časopisem Science, zjistili badatelé kalifornských laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) a Kalifornské univerzity v Berkeley, jeden kov, který je už nějakou dobu známý jako materiál s exotickými vlastnostmi, může vést elektrický proud, aniž by vedl teplo.

Junqiao Wu (vlevo). Kredit: Marilyn Chung/Berkeley Lab.

Tímto exotem není nikdo jiný, než temně modrý oxid vanadičitý (VO₂), který už před lety zaujal odborníky svými neobvyklým vlastnostmi. Mění totiž své charakteristiky podle podmínek prostředí, zejména teploty. Například, pokud teplota překročí 67 °C, tak se z nevodiče promění na vodivý kov. I přesto ale nový objev badatele, které vedl Junqiao Wu z LBNL, dost šokoval. Prý to vůbec nečekali. Vypadá to na přepisování učebnic a změny v našem chápání chování elektronů v exotických typech vodičů.

Struktura oxidu vanadičitého. Kredit: Ben Mills / Wikimedia Commons.

Wu s kolegy vycházeli z počítačových simulací a experimentů s rozptylem rentgenového záření na krystalové struktuře materiálu, a zjišťovali, jak se na vodivosti tepla podílejí vibrace krystalické mřížky (čili fonony) a jak se na tom podílejí pohyby elektronů. Ke svému překvapení zjistili, že vodivost tepla, který souvisí s pohybem elektronů, je u kovového oxidu vanadičitého desetkrát nižší oproti očekávání podle Wiedemannova-Franzova zákona. Jak se zdá, elektrony v oxidu vanadičitém se pohybují jako jeden celek, podobně jako kapalina. V normálních kovech se přitom elektrony pohybují jako jednotlivé částice, každý sám za sebe.

Běžné kovy vedou dobře teplo kvůli tomu, že se v nich elektrony pohybují náhodně, a každý elektron má vždy mnoho různých možností, jakým směrem se právě vydá. V kovovém oxidu vanadičitém se elektrony pohybují koordinovaně a mají k dispozici jen omezený počet možných pohybů. To velmi omezuje schopnost oxidu vanadičitého vést teplo.

Berkeley Lab.

Velmi zajímavé rovněž je, že elektrickou a tepelnou vodivost kovového oxidu vanadičitého lze nastavit smísením s jinými materiály. Když například vědci přimíchali do krystalu oxidu vanadičitého kovový wolfram, tak tím snížili teplotu potřebnou pro přechod oxidu vanadičitého z nevodiče na kov. Vzniklý materiál zároveň vedl teplo lépe, než samotný oxid vanadičitý. Tímto způsobem lze vytvářet materiály, které různě dobře vedou teplo. Pro takové materiály se hned rýsují široké možnosti využití – od technologií pro odvádění přebytečného tepla z motorů až po povlaky na okna, které zlepší hospodaření budov s teplem.

V dnešní době už sice známe i další materiály, které vedou elektřinu lépe nežli teplo, ale obvykle se to projevuje za teplot hluboko pod nulou. To samozřejmě značně komplikuje snahy o nějaké praktické využití. S oxidem vanadičitým by to mělo jít snadněji. Další výhoda oxidu vanadičitého spočívá v tom, že se za teplot pod 30 °C stává průhledným, kdežto při teplotách nad 60 °C zase pohlcuje infračervené záření. Wu s kolegy připouštějí, že ještě budou muset vyřešit řadu otázek, než dojde na komerční využití oxidu vanadičitého. Jejich výzkum ale ukazuje, že tenhle exotický kov je doopravdy slibný.

Literatura
Berkeley Lab 26. 1. 2017, Science 355: 371-374, Wikipedia (Vanadium(IV) oxide).