導讀
最近，美國華裔科學獎吳軍橋領銜的一項科學研究發現二氧化釩材料在導電時，產生的熱量十分微小，遠低於威德曼-弗朗茲定律的預期，打破了該經典物理定律。這項科學發現發表於1月27日的《科學》雜誌上，它將帶來一些列更廣泛的應用，例如一種熱電系統，它可以將引擎和設備產生的廢熱轉化為電能。
吳軍橋教授和科學家們在使用儀器測量鎢釩氧化物納米梁中鎢的含量。
（圖片來源：Marilyn Chung/伯克利實驗室）
威德曼-弗朗茲定律
威德曼-弗朗茲定律，是關於材料「熱導率λ」與「電導率σ」之間的關係的定律。德國物理學家G.H.威德曼和R．弗朗茲於由大量實驗事實發現，許多金屬的熱導率和電導率的比值都是一個常數，這一規律稱為威德曼一弗朗茲定律。1891年H.A.洛倫茲進一步發現，比值λ/σT是與金屬種類無關的常數，T是絕對溫度，這常數用L表示，稱洛倫茲數。
簡單點說，定律說明材料的導電性能越好，那麼導熱性能也越好良好。
二氧化釩
然而，二氧化釩材料卻是一個例外，它並不遵守這一定律。
二氧化釩是一種具有相變性質的金屬氧化物，其相變溫度為67℃左右，在達到相變溫度時可以從絕緣體變化為金屬，相變前後其對紅外光可產生由透射向反射的可逆轉變。
在美國橡樹嶺國家實驗室納米相材料科學中心，美國田納西大學研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國科學家合作，藉助凝聚物理學理論成功地解釋了二氧化釩的相行為。他們發現二氧化釩發生的多相競爭現象是由晶格對稱所引起的，在冷卻時二氧化釩晶格能夠以不同的方式發生「摺疊」，因此人們所觀察到的現象是二氧化釩不同的摺疊形態。
（圖片來源：維基百科）
伯克利實驗室材料科學部門的物理學家、加州大學伯克利分校材料科學和工程系教授、這項研究首席調查員吳軍橋評論說：
「這是一個完全意想不到的發現！教科書上對於傳統導體來說牢不可破的物理定律，由於這項發現而瓦解了。這項發現對於理解新穎的導體的基本電子行為，具有根本的重要意義。」
研究過程
吳教授和他領銜的研究團隊與來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的杜克大學副教授 Olivier Delaire 合作，展開了二氧化釩特性的研究。通過仿真和X射線散射實驗，他們梳理出材料的晶格振動（聲子）和電子運動，對於熱導率的影響比率。
令他們感到驚訝的是，他們發現由電子運動引起的熱導率，還未達到威德曼-弗朗茲定律的期望值的十分之一。
由伯克利研究人員合成的二氧化釩納米梁（VO2），具有奇異的導電和導熱特性。在假彩色掃描電子顯微鏡圖像中，導熱係數通過從紅色的熱源板導藍色的感知板之間傳導的熱量測量計算而來。兩個板之間由VO2納米梁傳導熱量。
（圖片來源：吳軍橋/伯克利實驗室）
對於這個現象，吳教授如此解釋：
「電子在運動時具有相互一致性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的單個粒子。對於電子而言，熱量是一種隨機運動。普通金屬可以有效地傳導熱量，是由於單個電子可以在許多不同可能性的微觀形態之間跳轉。相對而言，二氧化釩中的電子，彼此協調一致，就像軍樂隊一樣，對於熱量傳導不利。這是由於電子可以隨機切換的形態變少了。」
尤其是，通過讓二氧化釩與其他物質混合，可以調節其導電和導熱的數量。當研究人員在單晶二氧化釩樣本中摻入金屬鎢時，二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時，金屬相中的電子變成更好的導熱體。這使得二氧化釩從絕緣體向金屬進行相變時，研究人員可以控制散發的熱量，反之亦然，溫度也可以調節。
相關應用
研究人員稱，這種材料可以用於消除或者散發引擎中的熱量，或者開發玻璃塗層，提高建築能量的利用率。
這項研究的合作領導者，伯克利實驗室的研究人員楊凡（音譯）稱：
「這項材料可以用於穩定溫度，通過調諧熱導率，材料可以在炎熱的夏天高效、自動地散熱，因為它具有高熱導率；但是在寒冷的冬天時，可以防止熱量損耗，因為它低溫時的低熱導率。」
二氧化釩還有一項優勢：在30攝氏度以下時是透明的，在60攝氏度以上時可以吸收紅外線。
楊凡表示，在二氧化釩商用之前，還有一些問題有待解決，但是這項研究突出了該材料「奇異的電學和熱學性能」。其他一些材料雖然也能具備類似特性，但是它們發生在大概零下數百度的條件下，所以很難進行真實商用。
參考資料
【1】"Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide" Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410
【2】http://newscenter.lbl.gov/2017/01/26/electricity-not-heat-flows-in-vanadium-dioxide/