Biossido di Vanadio: il metallo che conduce l’elettricità ma non il calore

La Legge di Wiedemann-Franz

La Legge di Wiedemann-Franz afferma che un buon conduttore di elettricità è anche un buon conduttore di calore. Questa legge empirica prende il nome dai due scienziati che la enunciarono e che scoprirono come il rapporto tra conducibilità termica ed elettrica abbia approssimativamente lo stesso valore, a parità di temperatura, in metalli diversi.

Questa relazione si basa sul fatto che sia il calore che la corrente sono dovuti al moto degli elettroni liberi nel metallo. La conducibilità termica cresce come la velocità media delle particelle da cui dipende il trasporto di energia. La conducibilità elettrica invece diminuisce all’aumentare della temperatura (e quindi all’agitazione degli elettroni) perché le collisioni tra gli elettroni hanno l’effetto di diminuire il flusso delle cariche elettriche.

Un materiale dalle caratteristiche strane

Di fatto il Biossido di Vanadio rappresenta:

“Una drastica eccezione alle leggi che troviamo sui libri di testo, e che sappiamo essere robuste per i conduttori convenzionali. Questa scoperta è di fondamentale importanza per comprendere il comportamento degli elettroni nei nuovi conduttori,” afferma Junquia Wu, ricercatore dell’Università di Berkeley.

Il VO₂ può quindi risultare molto utile, poiché in futuro i metalli come questo potrebbero essere utilizzati per convertire il calore dissipato in elettricità o creare delle superfici migliori per il raffreddamento degli edifici.

Attualmente gli scienziati conoscono molti materiali che conducono l’elettricità meglio del calore, la maggior parte di essi però presentano questa caratteristica solo a centinaia di gradi sotto lo zero. Il Biossido di Vanadio è un conduttore a temperature abbastanza alte, come quelle di una stanza comune, e questo lo rende adatto a molte applicazioni pratiche.

Per scoprire questa strana proprietà i ricercatori hanno guardato al modo in cui gli elettroni si muovono all’interno del reticolo cristallino del metallo, per capire quanto calore viene generato. Hanno trovato che la conducibilità termica ha un valore 10 volte più basso di quello previsto dalla legge di Wiedemann-Franz.

“Per gli elettroni, il calore è un moto casuale. I metalli normali trasportano bene il calore perché ci sono molte configurazioni microscopiche tra le quali i singoli elettroni possono saltare. Viceversa, il moto coordinato degli elettroni nel Biossido di Vanadio è contrario al trasferimento di calore perché ci sono poche configurazioni disponibili”.

Proprietà e Applicazioni

Per decidere i valori di conducibilità termica ed elettrica il Biossido di Vanadio è stato mischiato con altri materiali.

Ad esempio quando i ricercatori hanno aggiunto il Tungsteno (si tratta anch’esso di un metallo) la temperatura alla quale il materiale diviene metallico si è abbassata e il materiale derivato dall’unione dei due metalli è in grado di condurre meglio il calore.

Ciò significa che il Biossido di Vanadio potrebbe dissipare il calore da un sistema diventando cioè conduttore di calore solo quando il sistema raggiunge una certa temperatura, restando pertanto un isolante prima di raggiungere tale temperatura.

Questa proprietà inaspettata non cambia soltanto quello che sappiamo sui conduttori ma è anche qualcosa di incredibilmente utile, il metallo potrebbe un giorno essere utilizzato per convertire il calore di scarto prodotto da motori e apparecchiature nuovamente in elettricità. Oppure produrre coperture per finestre in grado di mantenere freschi gli edifici. infatti un’altra proprietà del VO₂ è quella di essere trasparente intorno ai 30° e a circa 60° di iniziare a riflettere la luce infrarossa pur rimanendo trasparente a quella visibile. Questo può permettere il suo utilizzo come rivestimento per finestre e in generale come stabilizzatore di temperatura.

“Regolando la conducibilità termica il materiale è in grado di dissipare in maniera automatica ed efficiente il calore durante l’estate poiché avrebbe un’elevata conducibilità termica, durante l’inverno al contrario sarebbe in grado di recuperare il calore residuo delle apparecchiature grazie a una conducibilità termica più bassa dovuta proprio a temperature inferiori”.

Nonostante siano necessari molti studi e verifiche prima dell’eventuale commercializzazione di questo materiale, già si evincono quali potranno essere i suoi molteplici benefici. Le sue strane proprietà a temperature comuni portano a pensare come potrebbero essere sfruttate per future applicazioni pratiche.