热电材料可以把热能转为电能。而能将废热有效率转为电能，一直是科学家的梦想。但是热电材料一直有个瓶颈，材料需要同时具导电好却导热差的特性。而一般导电好的材料，譬如金、银、铜等金属，导热也同时较好，并不适合作为热电材料。然而，我们都知道在材料中，总有一些打破常规的金属。最近国际科学团队的一个新发现就更加证明了金属不墨守成规的特性。据能源部劳伦斯伯克利分校国家实验室（伯克利实验室）科学家和加利福尼亚大学伯克利分校的科学家的新研究指出，处于金属态的二氧化钒的电子在导电时几乎不导热，打破了经典物理定律威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz）定律。
这项科学发现发表于1月27日的《科学》杂志上，它将带来一系列更广泛的应用，例如在热电系统中，它可以将引擎和设备产生的废热转化为电能。
威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz）定律
一般而言，导电良好的材料内，电子在运动过程中受到的「阻力（电阻）」较小，电荷可快速传输。在此同时，自由载子也将热能快速传递。这个现象是 1853 年威德曼（GustavWiedemann）和弗朗兹（RudolphFranz）在实验中发现的。
简单点说，材料的导电性能越好，那么导热性能也越好良好。
然而，二氧化钒材料却是一个例外，它并不遵守这一定律。
二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为67℃左右，在达到相变温度时可以从绝缘体变化为金属。
伯克利实验室的材料科学部物理学家兼加州大学伯克利分校材料科学和工程系教授吴学桥说：“这是一个完全意料之外的发现”。教科书上对于传统导体而言坚不可摧的物理定律在此材料上瓦解了。这项发现对于理解新颖导体的基本电子行为，具有根本的重要意义。 ”
研究过程
吴教授和他领衔的研究团队与来自美国能源部橡树岭国家实验室的杜克大学副教授 Olivier Delaire合作，展开了二氧化钒特性的研究。通过仿真和X射线散射实验，他们梳理出材料的晶格振动（声子）和电子运动，对于热导率的影响比率。
令他们感到惊讶的是，他们发现由电子运动引起的热导率，还未达到威德曼-弗朗兹定律的期望值的十分之一。由伯克利研究人员合成的二氧化钒纳米梁（VO2），具有奇异的导电和导热特性。在假彩色扫描电子显微镜图像中，导热系数通过从红色的热源板导蓝色的感知板之间传导的热量测量计算而来。两个板之间由VO2纳米梁传导热量。
对于这个现象，吴教授如此解释：
“电子在运动时具有相互一致性，就像液体一样，而不像普通金属中的单个粒子。对于电子而言，热量是一种随机运动。普通金属可以有效地传导热量，是由于单个电子可以在许多不同可能性的微观形态之间跳转。相对而言，二氧化钒中的电子，彼此协调一致，就像军乐队一样，对于热量传导不利。这是由于电子可以随机切换的形态变少了。”
二氧化钒和钨
通过让二氧化钒与其他物质混合，可以调节其导电和导热的数量。当研究人员在单晶二氧化钒样本中掺入金属钨时，二氧化钒变成金属时的相变温度变低了。同时，金属相中的电子变成更好的导热体。这使得二氧化钒从绝缘体向金属进行相变时，研究人员可以控制散发的热量，反之亦然，温度也可以调节。
应用
我们人类活动中产生的电能或动能，大多是以热的形式浪费掉（废热）。热电元件具备可直接将热能转换为可利用的电能（不透过任何机械装置）的特性，因此具备可回收废热的优点！尤其是针对回收不易、介于 100~200°C 之间的低温废热更具优势。因此若能开发出具备非常高效率的热电转换材料，有益于环境保护及空间节省。
另外吴教授组的研究人员称，这种材料可以做成：
涂层，可以用于调控汽车引擎和电池的热量散发
或者
用于玻璃涂层，可提高建筑物的空调和暖气的能效
相信在不久的未来，我们会发现二氧化钒更多奇艺的特性并开发应用于实际。
Reference：
http://pansci.asia/archives/117975
http://www.cailiaoniu.com/72535.html
http://science.sciencemag.org/content/355/6323/371?rss=1
