Autor: Rocío Ariza

Hay materiales que pueden presentar unas características muy especiales, saliéndose por completo de lo normal. Un buen ejemplo es el dióxido de Vanadio con uno de sus comportamientos mejor conocidos: la transición de aislante a metal una vez alcanza cierta temperatura. Otra de las peculiaridades que presenta es la relación entre conductividad eléctrica y conductividad térmica.

Pero, ¿cómo funciona esto de las conductividades? Un metal que conduzca bien la electricidad se espera que también conduzca bien el calor. Aunque puede ser algo intuitivo hay una ley que lo relaciona mejor que nuestra intuición: ley de Wiedemann-Franz. Esta ley establece que la relación entre la conductividad térmica y eléctrica es una constante para cada temperatura. Vale, genial, pero seguimos sin saber por qué los metales conducen tan bien la electricidad y el calor. Este comportamiento se explica por la presencia de electrones que pueden viajar libremente y son característicos de los metales. Estos electrones son los que permiten que tanto la electricidad como el calor sean conducidos por todo el material. No hay que olvidarse que la conducción del calor también estará influenciada por las vibraciones propias de la red.

Hasta aquí tenemos todos los ingredientes para comenzar a entender qué son las conductividades y cómo se relacionan en los metales. Al principio hemos hablado del dióxido de vanadio como uno de los materiales que presenta ciertas peculiaridades en este aspecto y cuando decimos peculiaridades, nos referimos a que rompe con todo ello siendo capaz de conducir la electricidad pero no el calor.

Entonces, ¿todo lo de antes no sirve de nada? No hay que ser tan radical, solo hay que entender qué está pasando. Este comportamiento anómalo viene determinado por el movimiento de los electrones. Normalmente, cuando los electrones se mueven libremente podemos imaginar sus trayectorias como las que describen las partículas en un gas: trayectorias aleatorias. Sin embargo, el comportamiento de los electrones en el dióxido de vanadio no es tan aleatorio como se podría esperar sino que se asemeja más a la trayectoria de las partículas en un fluido. Por ello, la conductividad térmica debida a los electrones es 10 veces menor de lo esperado por Wiedemann-Franz. Esta disminución es resultado de limitar las posibles configuraciones que podrían adoptar los electrones en un fluido con respecto a las que podrían adoptar en un gas.

Otra de las peculiaridades de este material que se ha mencionado es la transición aislante-metal cuando se alcanza una cierta temperatura. Esta propiedad la comparte con otros materiales, pero el dióxido de vanadio es capaz de tener la transición a una temperatura más accesible (67ºC).

Es especialmente interesante su comportamiento cuando se dopa el material. Al doparlo la temperatura a la cual empieza a comportarse como metal baja y la combinación entre un comportamiento aislante o conductor permite controlar la cantidad de calor que el material puede disipar.

Todo esto sobre el papel puede ser sorprendente (o no), pero las aplicaciones a la tecnología pueden ser muy variadas. Una de sus aplicaciones más directas puede ser su uso como revestimiento en ventanas. Al poder controlar la conductividad térmica se puede esperar una respuesta distinta del material según las condiciones que se den: con temperaturas más elevadas, como pueda ser en verano, el material será capaz de disipar el calor por su comportamiento en la fase metal, por el contrario, cuando las temperaturas desciendan mostrará un comportamiento aislante y evitará la pérdida de calor. Tampoco podemos olvidar su potencial en disipadores de calor en motores, electrónica o incluso el uso para crear pequeños motores multifuncionales o músculos artificiales.

Referencias:

  • Berkeley National Laboratory. For This Metal, Electricity Flows, But Not the Heat (2017). Berkeley Lab. http://newscenter.lbl.gov/2017/01/26/electricity-not-heat-flows-in-vanadium-dioxide/ . Consultado día 23 de Febrero.
  • Kittel, C. (1995). Introducción a la física del estado sólido. Reverté.