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El dióxido de vanadio conduce bien la electricidad sin que casi conduzcan calor a temperatura ambiente.

La percepción que de forma intuitiva tiene ser ciudadano de la calle sobre el calor y la temperatura suele estar equivocada.

Solemos creer que ciertos materiales están a mayor o menor temperatura, pese a que están, de hecho, exactamente a la misma. Así, por ejemplo, el interior de una casa en invierno con calefacción y termostato tiene todo su interior y todas sus superficies a la misma temperatura. Si el suelo es de madera sentiremos menos frío que si es cerámico cuando caminamos descalzos y decimos que el segundo es frío. También nos parecerá más frío un metal que un mueble de madera o PVC.

La situación se invierte en verano cuando la temperatura es superior a la de nuestros cuerpos. En ese caso, una piedra al sol nos parecerá más caliente que el tocón de un árbol talado, pese a que está uno al lado de otro y reciben la misma irradiación solar.

La explicación es que nuestra piel no mide temperatura, sino ganancias o pérdidas de calor. Un metal nos parecerá más frío o más cálido en las circunstancias antes relatadas porque es mejor conductor del calor que un madero.

El calor es una forma de energía que pasa de unos cuerpos a otros por efecto de la diferencia de temperatura. Es una cualidad extensiva, pues un trozo de ese cuerpo contiene una fracción de esa energía. La temperatura, por el contrario, es intensiva, pues una sección tiene la misma temperatura que cualquier otra. Además, esta propiedad de la temperatura es emergente, pues surge del todo y no está en cada una de sus partes. Según la cinética de los gases, la temperatura no es más que el reflejo de la velocidad media de las moléculas de un gas.

De este modo, un clavo al rojo tiene más temperatura que el mar, pero este contiene mucha más energía (calor).

Esto nos lleva a las razones por las cuales un metal es tan buen conductor del calor. Se debe a dos razones fundamentales. La primera es que en un metal hay electrones que pueden viajar libres por el mismo. El calor en este caso es la energía contenida en la agitación que tienen los electrones, que sería similar a la agitación de las moléculas de un gas. A mayor velocidad de agitación mayor temperatura, a mayor cantidad de moléculas (o electrones como en el caso de un metal) más calor. Así que, como estos electrones se mueven muy fácilmente por el metal, pueden transportar calor muy fácilmente.

Lo metales, además, gracias a estos electrones libres, pueden conducir muy bien la electricidad. La ley de Wiedemann-Franz dice que un buen conductor de la electricidad es un buen conductor del calor.

Pero los sólidos tienen otra forma de almacenar y transportar calor. Los átomos que los componen, aunque esté fijos, pueden oscilar sobre sus posiciones de equilibrio y transmitir esta vibración a los que tiene al lado. El mejor de los casos es el de los cristales. En ellos hay una estructura periódica y regular de átomos ordenados bajo un conjunto finito de formas de organizarse que llamamos grupos cristalográficos. En modelo simple podemos considerar a cada átomo como una bola de cierta masa sujeta a todos sus átomos vecinos por un muelle. El calor se transmite como vibraciones en esa red cristalina, vibraciones a las que llamamos fonones, por comportarse como lo hace el sonido.

Un metal, un diamante o un trozo de cuarzo de una roca tienen estructura cristalina, aunque alguno no sea transparente, por los que los fonones se transmiten muy bien, lo que significa que son buenos conductores del calor. Un vidrio es un amorfo y no tiene estructura cristalina, aunque sea transparente, por eso es peor conductor de calor, porque los fonones se transmiten peor a través de una estructura desordenada.

Así que un metal conduce muy bien el calor debido a estas dos circunstancias, lo que nos permite asombrarnos del logro conseguido por un grupo de investigadores del Berkeley National Laboratory.

Estos científicos han logrado que los electrones de una muestra de dióxido de vanadio conduzcan bien la electricidad sin que casi conduzcan calor. Este hallazgo podría tener aplicaciones en sistemas termoeléctricos que conviertan el calor residual en electricidad (siempre que haya un foco frío, claro).

El dióxido de vanadio es un material que pasa de aislante a conductor a 67 grados centígrados. Lo interesante es que incumpla la ley de Wiedemann-Franz, lo que, además, es un resultado totalmente inesperado.

Según Junqiao Wu, este material exhibe una quiebra de esta ley que está en los libros de texto que hasta ahora cumplían el resto de los conductores conocidos. Según este investigador, el descubrimiento es de importancia fundamental en la comprensión del comportamiento básico de los conductores novedosos.

Los investigadores pudieron ser capaces de medir las proporciones de la conductividad térmica atribuida a los fonones y la atribuida a los electrones usando dispersión de rayos-X. La conductividad atribuida a estos últimos es diez veces menos que la que se tendría según la ley de Wiedemann-Franz. Gracias al uso de la espectroscopía electrónica nano-Auger han podido averiguar más.

Los electrones en este material se mueven al unísono como si fueran un fluido, en lugar de comportarse como las partículas de un gas, que es lo habitual en metales en donde estos se mueven al azar.

En un metal convencional este gas de electrones transporta bien el calor porque hay muchas posibles configuraciones microscópicas entre las que puede saltar el estado de un electrón. Por el contrario, en este “fluido de electrones” del óxido de vanadio, la transferencia de calor es peor porque hay sólo unas pocas configuraciones posibles en las que puede estar el estado de un electrón y saltar al azar entre dos cualesquiera de ellas no siempre se puede hacer.

Lo interesante desde el punto de vista tecnológico es que tanto la conductividad térmica como eléctrica del dióxido de vanadio se pueden ajustar aleándolo con otros materiales. Si, por ejemplo, se añade wolframio se rebaja la temperatura de transición a la que el dióxido de vanadio se torna metálico. En esa fase es un mejor conductor del calor, lo que permite una disipación del calor mediante el paso de aislante a conductor y vice versa.

Esta propiedad permitiría una disipación de calor sintonizada para cierta temperatura en motores. También se podrían diseñar ventanas para edificios que dejaran escapar el calor en verano cuando la temperatura subiese por encima de cierto umbral, pero se comportaría como aislante térmico en invierno. Todo ello de forma automática y sin intervención exterior.

El dióxido de vanadio es además transparente por debajo de 30 grados y absorbe el infrarrojo por encima de 60 grados.

Aunque hay otros materiales además del dióxido de vanadio que conducen la electricidad mejor el calor, operan a unas temperaturas muy por debajo de 0 grados centígrados, lo que limita su aplicabilidad en el mundo real.

La parte negativa es que el vanadio es un metal pesado tóxico, así que habría que extremar la síntesis, manipulación, uso y reciclaje de este material.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Foto: Junqiao Wu/Berkeley Lab.