Neseniai atliktas novatoriškas tyrimas parodė unikalias medžiagos grafeno savybes, leidžiančias ilgam laikui pagaliau sukurti ekonomiškus ir praktiškus naudoti superlaidininkus.
A superlaidininkas yra medžiaga, galinti atlikti (perduoti) elektra be pasipriešinimo. Šis pasipriešinimas apibrėžiamas kaip tam tikras praradimas energija kuri atsiranda proceso metu. Taigi, bet kuri medžiaga tampa superlaidžia, kai gali praleisti elektrą tam tikroje vietojetemperatūra“ arba būsena, neišskiriant šilumos, garso ar bet kokios kitos energijos formos. Superlaidininkai yra 100 procentų efektyvūs, tačiau daugumai medžiagų reikia labai žemo lygio energija kad taptų superlaidžiais, o tai reiškia, kad jie turi būti labai šalti. Daugumą superlaidininkų reikia aušinti skystu heliu iki labai žemos temperatūros, maždaug -270 laipsnių Celsijaus. Taigi bet koks superlaidus taikymas paprastai yra derinamas su tam tikru aktyviu arba pasyviu kriogeniniu / žemos temperatūros aušinimu. Ši aušinimo procedūra pati savaime reikalauja per daug energijos, o skystas helis yra ne tik labai brangus, bet ir neatsinaujinantis. Todėl dauguma įprastų arba „žemos temperatūros“ superlaidininkų yra neefektyvūs, turi savo ribas, yra neekonomiški, brangūs ir nepraktiški naudoti dideliu mastu.
Aukštos temperatūros superlaidininkai
Superlaidininkų sritis padarė didelį šuolį devintojo dešimtmečio viduryje, kai buvo atrastas vario oksido junginys, galintis būti superlaidus -1980 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Tai vis dar šalta, bet daug šiltesnė nei skysto helio temperatūra. Tai buvo žinomas kaip pirmasis kada nors atrastas „aukštos temperatūros superlaidininkas“ (HTC), gavęs Nobelio premiją, nors „aukštas“ tik didesne santykine prasme. Todėl mokslininkams kilo mintis, kad jie galėtų sutelkti dėmesį į tai, kad galiausiai surastų superlaidininkus, kurie veiktų, tarkime, su skystu azotu (-238°C), kurio pliusas yra tas, kad jo yra daug ir jis yra pigus. Aukštos temperatūros superlaidininkus taip pat galima pritaikyti ten, kur reikalingi labai dideli magnetiniai laukai. Jų žemos temperatūros kolegos nustoja veikti esant maždaug 196 tesloms (tesla yra magnetinio lauko stiprumo vienetas), todėl jų negalima naudoti stipresniems magnetams gaminti. Tačiau aukštoje temperatūroje superlaidžios medžiagos gali veikti daugiau nei dvigubai didesniame lauke, o greičiausiai net ir aukštesnėje. Kadangi superlaidininkai sukuria didelius magnetinius laukus, jie yra esminė skaitytuvų ir levituojančių traukinių dalis. Pavyzdžiui, šiandien MRT (magnetinio rezonanso tomografija) yra metodas, kuris naudoja šią kokybę, kad apžiūrėtų ir tirtų medžiagas, ligas ir sudėtingas kūno molekules. Kitos programos apima elektros energijos kaupimą tinkle, naudojant efektyviai energiją naudojančias elektros linijas (pavyzdžiui, superlaidūs kabeliai gali suteikti 23 kartų daugiau galios nei tokio pat dydžio variniai laidai), vėjo energijos generatoriai ir superkompiuteriai. Įrenginiai, galintys saugoti Milijonus metų energiją galima sukurti superlaidininkais.
Dabartiniai aukštos temperatūros superlaidininkai turi savo apribojimų ir iššūkių. Be to, kad šie superlaidininkai yra labai brangūs, nes jiems reikalingas aušinimo įtaisas, jie yra pagaminti iš trapių medžiagų ir nėra lengvai formuojami, todėl negali būti naudojami elektros laidams gaminti. Medžiaga taip pat gali būti chemiškai nestabili tam tikroje aplinkoje ir labai jautri priemaišoms iš atmosferos ir vandens, todėl ji turi būti paprastai uždengta. Tada yra tik maksimali srovė, kurią gali nešti superlaidžios medžiagos, o viršijant kritinį srovės tankį, superlaidumas nutrūksta ir riboja srovę. Didžiulės išlaidos ir nepraktiškumas trukdo naudoti gerus superlaidininkus, ypač besivystančiose šalyse. Inžinieriai, įsivaizduodami, tikrai norėtų minkšto, lankstaus, feromagnetinio superlaidininko, kuris būtų nepralaidus priemaišoms ar veikiamiems srovėms ir magnetiniams laukams. Per daug prašyti!
Tai gali būti grafenas!
Pagrindinis sėkmingo superlaidininko kriterijus yra rasti aukštą temperatūrą superlaidumasr, idealus scenarijus yra kambario temperatūra. Tačiau naujesnių medžiagų vis dar yra nedaug, todėl jas pagaminti labai sunku. Šioje srityje vis dar nuolat mokomasi apie tikslią metodiką, kurią taiko šie aukštos temperatūros superlaidininkai, ir kaip mokslininkai galėtų sukurti naują praktišką dizainą. Vienas iš sudėtingų aukštos temperatūros superlaidininkų aspektų yra tai, kad labai menkai suprantama, kas iš tikrųjų padeda medžiagoje esantiems elektronams susieti. Neseniai atliktame tyrime pirmą kartą buvo įrodyta, kad medžiaga grafeno pasižymi būdinga superlaidumo savybe ir mes tikrai galime pagaminti grafeno superlaidininką natūralios medžiagos būsenoje. Grafenas, grynai anglies pagrindo medžiaga, buvo atrastas tik 2004 m. ir yra ploniausia žinoma medžiaga. Jis taip pat yra lengvas ir lankstus, o kiekvieną lakštą sudaro šešiakampiai išdėstyti anglies atomai. Manoma, kad jis yra stipresnis už plieną ir išreiškia daug geresnį elektros laidumą, palyginti su vario. Taigi, tai daugiamatė medžiaga, turinti visas šias daug žadančias savybes.
Masačusetso technologijos instituto ir Harvardo universiteto (JAV) fizikai, kurių darbai paskelbti dviejuose straipsniuose1,2 in Gamta, pranešė, kad jie gali sureguliuoti medžiagos grafeną taip, kad jis parodytų du kraštutinius elektrinius veiksmus – kaip izoliatorių, kuriame jis nepraleidžia jokios srovės, ir kaip superlaidininką, kuriame leidžia srovei praeiti be jokio pasipriešinimo. Buvo sukurta dviejų grafeno lakštų „supergardelė“, šiek tiek pasukta 1.1 laipsnio „stebuklingu kampu“. Šis ypatingas šešiakampio korio modelio išdėstymas buvo atliktas taip, kad būtų galima sukelti „stipriai susijusią sąveiką“ tarp grafeno lakštų elektronų. Taip atsitiko todėl, kad grafenas šiuo „stebuklingu kampu“ galėjo praleisti elektrą su nuliniu pasipriešinimu, o bet koks kitas sukrautas išdėstymas išlaikė grafeną išskirtinį ir nebuvo jokios sąveikos su gretimais sluoksniais. Jie parodė būdą, kaip priversti grafeną įgyti būdingą kokybę ir išskirtinį elgesį. Kodėl tai labai svarbu, nes ta pati grupė anksčiau buvo susintetinusi grafeno superlaidininkus, padėdama grafeną sąlyčiui su kitais superlaidžiais metalais, todėl jis gali paveldėti tam tikrą superlaidumą, tačiau to nepavyko pasiekti naudojant vien grafeną. Tai novatoriška ataskaita, nes grafeno laidumo gebėjimai buvo žinomi jau kurį laiką, tačiau tai pirmas kartas, kai grafeno superlaidumas buvo pasiektas nekeičiant ar nepridedant kitų medžiagų. Taigi grafenas gali būti naudojamas į tranzistorių panašiam gaminiui gaminti. prietaisas superlaidžioje grandinėje ir grafeno išreikštas superlaidumas galėtų būti įtrauktas į molekulinius elektronikos prietaisus su naujomis funkcijomis.
Tai sugrąžina mus prie visų kalbų apie aukštos temperatūros superlaidininkus ir nors šią sistemą vis tiek reikėjo atvėsinti iki 1.7 laipsnio Celsijaus, grafeno gamyba ir naudojimas dideliems projektams dabar atrodo įmanomas ištyrus jo netradicinį superlaidumą. Skirtingai nuo įprastų superlaidininkų, grafeno aktyvumas negali būti paaiškintas pagrindine superlaidumo teorija. Toks netradicinis aktyvumas buvo pastebėtas sudėtinguose vario oksiduose, vadinamuose kupratais, kurie, kaip žinoma, praleidžia elektrą iki 133 laipsnių Celsijaus, ir buvo tyrimų dėmesio centre kelis dešimtmečius. Nors, skirtingai nei šie kupratai, sukrauta grafeno sistema yra gana paprasta, o medžiaga taip pat geriau suprantama. Tik dabar grafenas buvo atrastas kaip grynas superlaidininkas, tačiau pati medžiaga turi daug išskirtinių savybių, kurios buvo žinomos anksčiau. Šis darbas atveria kelią stipresniam grafeno vaidmeniui ir aukštos temperatūros superlaidininkų, kurie yra nekenksmingi aplinkai ir daugiau, kūrimui. energija efektyvus ir, svarbiausia, veikia kambario temperatūroje, todėl nereikia brangaus vėsinimo. Tai gali pakeisti energijos perdavimą, tyrimų magnetus, medicinos prietaisus, ypač skaitytuvus, ir iš tikrųjų pakeisti energijos perdavimo būdus mūsų namuose ir biuruose.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
1. Yuan C ir kt. 2018. Koreliuotas izoliatoriaus elgesys pusiau užpildant stebuklingo kampo grafeno supergardeles. Gamta. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C ir kt. 2018. Netradicinis superlaidumas stebuklingo kampo grafeno supergardelėse. Gamta. https://doi.org/10.1038/nature26160
