電器不過熱!物理學家發現「超低導熱」導電金屬

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Berkeley 實驗室科學家,由左到右分別為 Junqiao Wu、Fan Yang 和 Changhyun Ko,他們正在操作一台奈米螺旋電子光譜儀,Photo Credit: Marilyn Chung/Berkeley Lab。
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根據 Science AlertForbesInternational Business Times 報導,美國柏克萊實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員找到了一種導電卻不易導熱的金屬材料,大大顛覆了我們對金屬導體的認知,並於 1 月 27 日將成果發表於 《Science》 期刊。

根據 維德曼 -- 夫蘭茲定律, 優良的導電體通常也是優良導熱體,也就是為什麼我們生活中的電器用久了就會發燙。但美國一群研究者發現,二氧化釩打破了這個規律。在此之前,二氧化釩就因奇怪的特性為人所知,二氧化釩是深藍色的無機固體,在攝氏 30 度以下會變成透明絕緣體,到了攝氏 67 度又會變成導電的金屬,而且超過攝氏 60 度就會開始吸收紅外線。

勞倫斯柏克萊國家實驗室及加州大學柏克萊分校的研究人員透過模擬和 X 光散射實驗,發現二氧化釩在 60 度時傳遞電子產生的熱「比 維德曼 -- 夫蘭茲定律 估計的值小 10 倍」。「這完全在意料之外,」柏克萊實驗室材料科學部門的 Junqiao Wu 比喻,「電子像液體一樣一起移動,不像在一般金屬中是如同一顆顆獨立的粒子。」

根據論文共同作者,杜克大學的材料科學家 Olivier Delaire 解釋,你可以想像這些電子在金屬中就像許多球一樣彈來彈去,當它彈離原子核的時候,就會把一些動能變成熱能散發出來。而他們推測二氧化釩中的電子移動得更一致,也就降低了從原子核彈開的機率,連帶傳導的熱能就大大減少。

這項發現代表,我們可以更有效率地使用能源,二氧化 釩用 來減少或回收引擎、電器產生的廢熱,還能裝設在窗戶上吸熱,讓室內保持涼爽。不過另一方面科學家更關心的是,這項發現跳脫了教科書上的公式,能讓他們從基礎上進一步研究電子在新導體中的表現。

要注意的是,維德曼 -- 夫蘭茲定律並非像「光速」這樣堅不可摧的公理,而是累積大量實驗觀察而產生的結論,找到維德曼 -- 夫蘭茲定律的例外並不會顛覆物理基礎。

另外,現存有零電阻的超導體材料,則是能夠透過降低電阻降低熱的產生,從根本減少能量的浪費,然而這些超導體材料都得維持在攝氏零下數百度才會表現出這樣的性質,因此難以應用。

 

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