Tìm ra vật liệu dẫn điện mà không sinh nhiệt
bk9sw
4 nămBình luận: 31
Tìm ra vật liệu dẫn điện mà không sinh nhiệt
Sau phát hiện mang tính chấn động về thể kim loại của hydro, hôm nay các nhà khoa học lại tìm ra một chất có thể dẫn điện tốt mà hầu như không phát sinh nhiệt. Tưởng như tính chất độc đáo này chỉ xuất hiện trên những vật liệu dẫn ở nhiệt độ siêu hàn thì giờ đây, 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 ở mức nhiệt độ khoảng 67 độ C. Nếu không tỏa nhiệt hay tỏa rất ít nhiệt thì điện trở R của VO2 cũng rất thấp, từ đó dẫn đến khả năng dẫn điện cực tốt, hiệu suất cực cao. Biết đâu trong tương lai, 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. Lúc đó điện thoại sẽ không còn nóng nữa, pin sẽ lâu hơn hay dây điện sẽ truyền tải điện hiệu quả hơn, tiết kiệm đáng kể tiền điện hàng tháng.

Đối với tất cả kim loại được tìm thấy trên Trái Đất thì hầu hết chúng đều có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Các electron là thành phần 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 này.

VO2.png
Tuy nhiên, Vanadium Dioxide (VO2) lại rất khác biệt. Khi 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 thì 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.

Theo giáo sư Junqiao Wu - một nhà vật lý đến từ bộ phận khoa học vật liệu tại Lawrence Berkeley: "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 này là nền tảng quan trọng cho những hiểu biết của chúng ta về hoạt động của electron trong những chất dẫn khác thường."

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 của nó. 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 nữa. VO2 dẫn điện nhưng nhiệt được truyền đi bởi dao động phonon (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).

Ở 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.

Ngược lại, 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.

V2O5.jpg
Tinh thể Vanadium.
Tuy nhiên, VO2 lại thay đổi tính chất từ cách điện sang dẫn điện và điều đáng chú ý là nó sản sinh rất ít nhiệt lượng. Điều này cho thấy các electron trong vật liệu này 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.

Qua nhiều phép đo từ mô hình hóa trên máy tính, quan sát bằng tia X, 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 (không sắt).

Chất lỏng Fermi 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, từ đó 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 này thường có tỉ lệ phân tán cao trong kim loại ở nhiệt độ phòng do các hạt xung quanh va chạm vào khi chúng di chuyển trong vật liệu.

Chất lỏng không Fermi ngược lại được cho là không tạo ra các hạt lượng tử năng lượng bền để truyền tải điện tích và nhiệt. Trong những vật liệu này, nếu mật độ electron không cân bằng, electron sẽ bị khuếch tán giống như chất lỏng, tức là electron sẽ chảy từ những vùng có mật độ electron cao xuống nơi có mật độ thấp hơn và quá trình này tạo ra dòng điện. Trong những trường hợp như vậy, như VO2 thì 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 (ở đây là sóng dao động) dọc theo bề mặt của vật liệu.


Junqiao Wu.jpg
Giáo sư Junqiao Wu (áo tím) cùng các cộng sự tại Berkeley.
Nói cách khác, VO2 trong quá trình chuyển dịch đặc tính dẫn đã thực hiện cả 2 vai trò vừa là chất dẫn, vừa là chất cách ly, từ đó 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. Theo giáo sư Wu: "Các electron đã di chuyển đồng loạt cùng nhau giống như 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. Kim loại thông thường truyền nhiệt hiệu quả bởi 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 nhiệt. Ngược lại, chuyển động đồng đều của các electron bên trong VO2 gây bất lợi cho khả năng dẫn nhiệt bởi các electron không có nhiều cơ hội 'đi lạc'."

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

Vanadium dioxide hiện là một vật liệu rất độc đáo khi 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 một tia laser. Hiện tại với những đặc tính vừa phát hiện, các nhà nghiên cứu tin rằng VO2 có thể trở thành một giải pháp dẫn điện cách nhiệt.

Nguồn: New Atlas
cv.jpg
Hay quá
nta139
CAO CẤP
4 năm
nhìn sơ tưởng là VỢ 2... cái này cháy nhà chứ đùa 😁 j/k

67 độ C là nóng thấy pà rồi... còn đòi nóng nhiêu nữa!?!?
Little Chick
ĐẠI BÀNG
4 năm
@nta139 ví dụ như trong bảng mạch điện tử, nhiều thành phần của con chip có thể nóng tới hơn 100 độ C khi hoạt động, có VO2 thì nhiều khả năng sẽ có thể giảm nhiệt lượng trên các đường mạch, giảm hư hại cho chip và mạch.
nta139
CAO CẤP
4 năm
@Little Chick - chỉ có vài còn chip là nhiệt độ cao chứ có phải cả cái mạch nó đều sôi lên đâu; cái nào cao thì đều đã có quạt (hoặc các thể loại tương tự) tãn nhiệt.
- dưới 67 độ C thì VO2 không dẫn điện gì hết nhé; như vậy là phải đun sôi, nấu chín cái mạch rồi mới bắt đầu dùng được nhé;
Little Chick
ĐẠI BÀNG
4 năm
@nta139 cho bác nói lại, đầy con chip/IC phải dùng tản nhiệt để giảm nhiệt độ, quạt thì quá cồng kềnh, hiệu quả cũng ko cao lắm. Cách dùng VO2 này là khắc phục từ gốc rễ vấn đề tỏa nhiệt, chứ ko phải kiểu chữa cháy là dùng thiết bị ngoài để giảm nhiệt.
eaglet_no1
TÍCH CỰC
4 năm
@nta139 người ta có thể tạo ra các hợp kim để vật chất này dẫn điện hiệu quả nhất ở nhiệt độ thấp hơn, ví dụ 35-40 độ thì là vừa mà, hoặc ở các bộ phận phát nhiệt nhiều thì 70 độ cũng bình thường
Cơ mà phải cho nó nóng lên đến 67 độ thì mới cách nhiệt haha



https://.........../r1/1.png https://.........../r2/1.png https://.........../r3/1.png
seek4l0ve
ĐẠI BÀNG
4 năm
Các nhà sản xuất thiết bị tản nhiệt sẽ khóc thét khi đọc được tin này 😁
Hi vọng sẽ sớm được sản xuất đại trà trên các thiết bị và giá thành đừng có cao
@Hoàng Z Khi kết hợp với kim loại khác thì nhiệt độ yêu cầu có thể tăng hoặc giảm, mức 67 không phải cố định. Với những nghiên cứu thế này thì quan trọng là có thể sản xuất đại trà, còn ứng dụng được vào chỗ nào thì không thiếu.
@Hoàng Z Phần tăng giảm nhiệt độ vẫn liên quan, 😃, nếu bạn vẫn bảo không liên quan nữa thì chịu. Như ví dụ trong bài khi kết hợp với Wolfram thì nhiệt độ cần thiết sẽ giảm, không còn là 67 C nữa, nếu kết hợp với kim loại khác giúp nhiệt độ cần thiết có thể giảm xuống mức phù hợp hơn thì hoàn toàn có khả năng áp dụng trong các thiết bị điện tử thông thường.
chauchau17
ĐẠI BÀNG
4 năm
cái này là ko nóng vì quá nóng à 😁 :D :D
67 độ thì nóng gì 😁 ? Với smartphone thì có thể coi là nóng nhưng với các thể loại máy tính chạy tải thì nhiệt độ gần trăm độ là bình thường mà? Bên mình đặt nhiều server mà dù có dùng điều hòa để hạ nhiệt thì nó vẫn nóng khủng khiếp đến mức nhân viên cần hong khô quần áo cứ vứt vào phòng server, vài tiếng sau khô cong ra.
vietnamtea
TÍCH CỰC
4 năm
Ông Junqiao wu người hoa, người hoa giỏi thật 😁
nguyenvtu
TÍCH CỰC
4 năm
@vietnamtea Người Hoa giỏi nhất thế giới, giờ mới biết à, nhân loại tiến hoá từ vượn còn người Hoa là con cháu của rồng nên phải khác chứ.
@vietnamtea Chắc gì người Hoa, còn người sing, đài loan, người mỹ gốc hoa ... bảo họ người tàu là họ ko thích đâu.
linhr133
ĐẠI BÀNG
4 năm
@nguyenvtu Có 1 dân tộc, con của rồng cháu nhà tiên mà cứ lẹt đẹt mãi, lạ thật! (Đùa thôi) 😁
vietnamtea
TÍCH CỰC
4 năm
@DoremonSSJ3 Bạn này chắc bài tàu quá nên mắc bệnh rồi cũng nên, có mấy chữ thôi mà đọc cũng không xong.:eek:
Sẽ sớm ứng dụng vào thực tế thôi. Khoa học thật là tuyệt vời
linhr133
ĐẠI BÀNG
4 năm
Chả hiểu gì, cái tên chất lần đầu tiên nghe, chỉ biết nếu ứng dụng được thì quá tốt.
HuynhNgLe
ĐẠI BÀNG
4 năm
Theo như cái quote trên thì dịch chính xác phải là dẫn điện mà không dẫn nhiệt chứ không phải là sinh nhiệt.
67 độ mà không tăng thì vẫn là quá mát
với lại
trở kháng thấp thì đúng là ngon còn gì
các cụ quen với cpu 40 độ rồi nên quên cái thời AMD nướng thịt rồi sao
Giltine
TÍCH CỰC
4 năm
@soncon_cuchuoi9x Thời j, giờ cpu amd hay intel >4 core vẫn 80-90 độ vs tản zin đấy. Còn cpu 70 độ fulload là mắt lắm rồi
người hoa nào con cháu rồng bạn? Ko nhầm thì
là dòng lai của rùa nữ oa và rắn phục hy
duong_ks
ĐẠI BÀNG
4 năm
Cứ ngon là ủng hộ thôi :d
Mong sao thành hiện thật. Mà đọc sơ sơ thấy vụ 67 độ C chưa hiểu lắm
vietsnam
TÍCH CỰC
4 năm
Phát hiện rất tuyệt vời nhưng để đi đến cuộc sống đời thường thì còn xa lắm .
Anlinhcau
ĐẠI BÀNG
4 năm
mong sớm được đưa vào ứng dụng thương mại và giá hợp lý. 😁
datvn
TÍCH CỰC
4 năm
Lại giáo sư Trung quốc, người Tàu đang lên ngôi
công nghệ vật liệu còn quá nhiều thứ để phát minh, những nhà khoa học tự làm giàu...
For This Metal, Electricity Flows, But Not the Heat
Bác dịch sai rồi, đây là vật liệu đột phá trong các vật liệu nhiệt điện, khi dẫn điện thì nhiệt lượng không bị kéo theo bác ạ.
Có thể hiểu đơn giản là đối với kim loại thì electron là hạt tải điện. Tuy nhiên electron cũng chuyển động nhiệt nên khi dịch chuyển do nguồn điện thì nhiệt lượng cũng truyền đồng hành theo (các hiện tượng kiểu này gọi là hiện tượng nhiệt điện). Ví dụ có một thanh dây dẫn đang có một đầu nóng, một đầu lạnh, ta dùng một nguồn điện để đưa các electron ở đầu nóng sang đầu lạnh thì nhiệt lượng từ đầu nóng sẽ theo các electron sang đầu lạnh nhanh hơn.
Nghiên cứu này có thể là đột phá để làm những cái này này: http://hshop.vn/products/so-nong-lanh-peltier-tec-12710-40x40mm
Cá nhân
Bạn
Hi bạn!
Điểm Reward Store: 
Tuổi Tinh tế: 
Cấp độ thành viên Tinh Tế


Tải app Tinh tế

Tải app Tinhte - Theo dõi thông tin mà bạn yêu thích

Tải app TinhteTải app Tinhte
Tải app Tinh tế cho Android trên Google PlayTải app Tinh tế cho iPhone, iPad trên App Store






  • Chịu trách nhiệm nội dung: Trần Mạnh Hiệp
  • © 2021 Công ty Cổ phần MXH Tinh Tế
  • Địa chỉ: 209 Đường Nam Kỳ Khởi Nghĩa, Phường 7, Quận 3, TP.HCM
  • Số điện thoại: 02862713156
  • MST: 0313255119
  • Giấy phép thiết lập MXH số 11/GP-BTTTT, Ký ngày: 08/01/2019