Wodór zmienia właściwości elektryczne tlenku wanadu

Tlenek wanadu (VO2) jest jednym jednym z najbardziej uniwersalnych materiałów. Ostatnio naukowcy z Rice University odkryli, że do jego wielu cech należy dodać następną: możliwość odwracalnej zmiany właściwości elektrycznych poprzez działanie wodorem.

Tlenek wanadu jest ważnym składnikiem stali. Kiedy wanad reaguje z tlenem powstaje jego tlenek (VO2 ), którego atomy są ułożone w sieci krystalicznej o kształcie wydłużonego prostopadłościanu. W jego rogach którego znajdują się atomy wanadu. Pojedynczy kryształ VO2 zawiera wiele takich prostopadłościanów ułożonych liniowo w długie łańcuchy, które przewodzą prąd elektryczny.

Ważną właściwością tlenku wanadu jest to, że gdy zostaje schłodzony do 67 stopni Celsjusza przechodzi on przemianę fazową, zarówno strukturalną, jak i elektryczną, w wyniku której zanikają długie łańcuchy krystaliczne oraz materiał z przewodnika elektrycznego staje się izolatorem. Istnieją inne materiały o podobnej właściwości przemiany fazowej, natomiast w tym przypadku charakterystyczna jest niska temperatura oraz - czasem - niewiarygodna szybkość tej przemiany: mniej niż 1 trylionowa sekundy. W ostatnich latach zaczęto wykorzystywać tę właściwość w projektowaniu materiałów. W 2004 roku grupa naukowców z Londynu zaprojektowała wrażliwą na temperaturę powłokę, która, naniesiona na szybę, w chłodne dni absorbuje światło słoneczne, a w gorące je odbija. Również elektronicy zainteresowali się właściwościami VO2 pracując nad stworzeniem optycznych przełączników.

Dla powszechniejszego, komercyjnego wykorzystania VO2 potrzebne są solidne podstawy teoretyczne jego właściwości, których na razie brakuje - dotychczasowe modele teoretyczne w tym przypadku nie sprawdzały się. W związku z tym potrzebne były kolejne eksperymenty.

W 2010 r. Natelson i Jiang Wei rozpoczęli badania zmian fazowych VO2. Wei wraz ze studentem Heng Ji za pomocą osadzania par rozpoczęli wytwarzanie długich przewodów z VO2, tysiąc razy cieńszych od ludzkiego włosa. W przypadku jednej z serii eksperymentów zauważyli, że, gdy poddano przewody VO2 działaniu wodoru w podwyższonej temperaturze, zmieniły one swoje właściwości, ale tylko gdy były w kontakcie z wykonanymi ze złota elektrodami. Elektrody zadziałały jak katalizator inicjujący rozdział wodoru cząsteczkowego na atomy, które to z kolei dyfundują do wnętrza VO2 i są zatrzymywane w sieci krystalicznej. Atomy wodoru powodują zmianę właściwości elektrycznych, co powoduję obniżenie temperatury przemiany fazowej i zmniejszenie właściwości izolacyjnych. Przy zwiększeniu ilości wodoru faza o właściwościach izolacyjnych zanika. Eksperymentatorzy zwrócili się o pomoc do prof. fizyki Andrieja Niewiadomskiego z Rice University, którego obliczenia pokazały, że wodór zmienia wielkość ładunku elektrycznego VO2 i wymusza zwiększenie objętości kryształu, co sprzyja powstawaniu fazy metalicznej.

Istotne jest to, że zmiana właściwości VO2 zachodząca pod wpływem wodoru jest odwracalna – wystarczy wygrzać materiał w piecu w umiarkowanej temperaturze. Możliwe zastosowanie nowego materiału to bardzo czułe czujniki wodoru.

(pj)