Nesenais revolucionārais pētījums ir parādījis materiāla grafēna unikālās īpašības, kas nodrošina ilgtermiņa iespēju beidzot izstrādāt ekonomiskus un praktiski lietojamus supravadītājus.
A supravadītājs ir materiāls, kas var vadīt (pārvadīt) elektrība bez pretestības. Šī pretestība tiek definēta kā zināms zudums enerģija kas rodas procesa laikā. Tātad jebkurš materiāls kļūst supravadošs, ja tas spēj vadīt elektrību konkrētajā vietā.temperatūravai stāvoklī, neizdalot siltumu, skaņu vai jebkāda cita veida enerģiju. Supravadītāji ir 100% efektīvi, bet lielākajai daļai materiālu ir jābūt ārkārtīgi zemam enerģija stāvoklī, lai tie kļūtu par supravadītiem, kas nozīmē, ka tiem ir jābūt ļoti aukstiem. Lielākā daļa supravadītāju ir jāatdzesē ar šķidru hēliju līdz ļoti zemai temperatūrai, aptuveni -270 grādiem pēc Celsija. Tādējādi jebkurš supravadošs pielietojums parasti ir saistīts ar kādu aktīvo vai pasīvo kriogēno/zemas temperatūras dzesēšanu. Šī dzesēšanas procedūra pati par sevi prasa pārmērīgu enerģijas daudzumu, un šķidrais hēlijs ir ne tikai ļoti dārgs, bet arī neatjaunojams. Tāpēc lielākā daļa parasto jeb “zemas temperatūras” supravadītāju ir neefektīvi, tiem ir savas robežas, tie ir neekonomiski, dārgi un nepraktiski liela mēroga lietošanai.
Augstas temperatūras supravadītāji
Supravadītāju joma guva lielu lēcienu 1980. gadu vidū, kad tika atklāts vara oksīda savienojums, kas spēj vadīt supravadītāju pie -238 grādiem pēc Celsija. Tas joprojām ir auksts, bet daudz siltāks nekā šķidrā hēlija temperatūra. Tas bija pazīstams kā pirmais jebkad atklātais "augstas temperatūras supravadītājs" (HTC), kas ieguva Nobela prēmiju, lai gan tas ir "augsts" tikai lielākā relatīvā nozīmē. Tāpēc zinātniekiem ienāca prātā, ka viņi varētu koncentrēties uz tādu supravadītāju atrašanu, kas darbojas, teiksim, ar šķidro slāpekli (-196 ° C), kam ir pluss, ka tas ir pieejams daudz un ir arī lēts. Augstas temperatūras supravadītājiem ir arī pielietojumi, kur nepieciešami ļoti lieli magnētiskie lauki. Viņu zemās temperatūras kolēģi pārstāj darboties pie aptuveni 23 teslām (tesla ir magnētiskā lauka stipruma vienība), tāpēc tos nevar izmantot spēcīgāku magnētu izgatavošanai. Bet augstas temperatūras supravadoši materiāli var darboties vairāk nekā divreiz vairāk nekā laukā un, iespējams, pat augstāk. Tā kā supravadītāji rada lielus magnētiskos laukus, tie ir būtiska skeneru un levitācijas vilcienu sastāvdaļa. Piemēram, mūsdienās MRI (magnētiskās rezonanses attēlveidošana) ir metode, kas izmanto šo kvalitāti, lai aplūkotu un pētītu materiālus, slimības un sarežģītas molekulas organismā. Citi lietojumi ietver elektroenerģijas uzglabāšanu tīkla mērogā, izmantojot energoefektīvas elektropārvades līnijas (piemēram, supravadošie kabeļi var nodrošināt 10 reizes vairāk enerģijas nekā tāda paša izmēra vadi), vēja enerģijas ģeneratorus un arī superdatorus. Ierīces, kas spēj uzglabāt ar supravadītājiem var radīt enerģiju miljoniem gadu.
Pašreizējiem augstas temperatūras supravadītājiem ir savi ierobežojumi un izaicinājumi. Papildus tam, ka šie supravadītāji ir ļoti dārgi, jo tiem nepieciešama dzesēšanas ierīce, tie ir izgatavoti no trausliem materiāliem, un tos nav viegli veidot, tāpēc tos nevar izmantot elektrisko vadu izgatavošanai. Materiāls var būt arī ķīmiski nestabils noteiktās vidēs un ārkārtīgi jutīgs pret atmosfēras un ūdens piemaisījumiem, tāpēc tas parasti ir jāieklāj. Tad ir tikai maksimālā strāva, ko supravadošie materiāli var pārvadāt, un virs kritiskā strāvas blīvuma supravadītspēja sabojājas, ierobežojot strāvu. Milzīgās izmaksas un nepraktiskums kavē labu supravadītāju izmantošanu, īpaši jaunattīstības valstīs. Inženieri savā iztēlē patiešām vēlētos mīkstu, kaļamu feromagnētisku supravadītāju, kas ir necaurlaidīgs pret piemaisījumiem vai pielietoto strāvu un magnētiskajiem laukiem. Pārāk daudz prasīt!
Grafēns varētu būt tas!
Veiksmīga supravadītāja galvenais kritērijs ir augstas temperatūras atrašana supravadītājsr, ideālais scenārijs ir istabas temperatūra. Tomēr jaunāki materiāli joprojām ir ierobežoti, un to izgatavošana ir ļoti sarežģīta. Šajā jomā joprojām notiek nepārtraukta mācīšanās par precīzu metodoloģiju, ko izmanto šie augstas temperatūras supravadītāji un kā zinātnieki varētu nonākt pie jauna dizaina, kas ir praktiski. Viens no sarežģītajiem aspektiem augstas temperatūras supravadītājos ir tas, ka ir ļoti slikti saprotams, kas patiešām palīdz materiālā esošajiem elektroniem savienoties pārī. Nesenā pētījumā pirmo reizi tika parādīts, ka materiāls Graphene Tam ir raksturīga supravadīšanas kvalitāte, un mēs patiešām varam izgatavot grafēna supravadītāju materiāla dabiskajā stāvoklī. Grafēns, tīri uz oglekļa bāzes izgatavots materiāls, tika atklāts tikai 2004. gadā un ir plānākais zināmais materiāls. Tas ir arī viegls un elastīgs, jo katra loksne sastāv no oglekļa atomiem, kas sakārtoti sešstūra formā. Tiek uzskatīts, ka tas ir stiprāks par tēraudu, un tas izsaka daudz labāku elektrisko vadītspēju salīdzinājumā ar varu. Tādējādi tas ir daudzdimensionāls materiāls ar visām šīm daudzsološajām īpašībām.
Fiziķi Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā un Hārvardas Universitātē, ASV, kuru darbi publicēti divos rakstos1,2 in daba, ir ziņojuši, ka tie spēj noregulēt materiāla grafēnu, lai parādītu divas ekstremālas elektriskās uzvedības – kā izolators, kurā tas neļauj iziet strāvu, un kā supravadītājs, kurā tas ļauj strāvai iziet bez jebkādas pretestības. Tika izveidots divu grafēna lokšņu "superrežģis", kas ir sakrauts kopā, nedaudz pagriezts 1.1, XNUMX grādu "maģiskā leņķī". Šis konkrētais pārklājošais sešstūra šūnveida izkārtojums tika veikts tā, lai potenciāli izraisītu “stipri korelētu mijiedarbību” starp elektroniem grafēna loksnēs. Un tas notika tāpēc, ka grafēns šajā “maģiskajā leņķī” varēja vadīt elektrību ar nulles pretestību, savukārt jebkurš cits salikts izvietojums saglabāja grafēnu atšķirīgu un nebija mijiedarbības ar blakus esošajiem slāņiem. Viņi parādīja veidu, kā panākt, lai grafēns pārņemtu raksturīgu kvalitāti, lai izturētos pats par sevi. Kāpēc tas ir ļoti svarīgi, jo tā pati grupa iepriekš bija sintezējusi grafēna supravadītājus, ievietojot grafēnu saskarē ar citiem supravadošiem metāliem, ļaujot tam mantot dažas supravadīšanas īpašības, bet to nevarēja panākt tikai ar grafēnu. Šis ir revolucionārs ziņojums, jo grafēna vadītspējas ir zināmas jau kādu laiku, taču tā ir pirmā reize, kad grafēna supravadītspēja ir sasniegta, nemainot vai nepievienojot tai citus materiālus. Tādējādi grafēnu var izmantot, lai izveidotu tranzistoriem līdzīgu ierīci supravadītājā ķēdē un grafēna izteikto supravadītspēju varētu iekļaut molekulārās elektronikas ierīcēs ar jaunām funkcijām.
Tas mūs atgriežas pie visām runām par augstas temperatūras supravadītājiem, un, lai gan šī sistēma joprojām bija jāatdzesē līdz 1.7 grādiem pēc Celsija, grafēna ražošana un izmantošana lielos projektos tagad šķiet sasniedzama, pētot tā netradicionālo supravadītspēju. Atšķirībā no parastajiem supravadītājiem grafēna darbību nevar izskaidrot ar galveno supravadītspējas teoriju. Šāda netradicionāla aktivitāte ir novērota sarežģītajos vara oksīdos, ko sauc par kuprātiem, kas, kā zināms, vada elektrību līdz pat 133 grādiem pēc Celsija, un ir bijis pētījumu uzmanības centrā vairākas desmitgades. Lai gan atšķirībā no šiem kuprātiem grafēna sistēma ir diezgan vienkārša, un materiāls ir arī labāk saprotams. Tikai tagad grafēns ir atklāts kā tīrs supravadītājs, taču materiālam pašam ir daudz izcilu spēju, kas zināmas jau iepriekš. Šis darbs paver ceļu spēcīgākai grafēna lomai un augstas temperatūras supravadītāju attīstībai, kas ir videi draudzīgi un vairāk enerģija efektīva un, pats galvenais, funkcionē istabas temperatūrā, novēršot nepieciešamību pēc dārgas dzesēšanas. Tas varētu revolucionizēt enerģijas pārvadi, pētniecības magnētus, medicīnas ierīces, jo īpaši skenerus, un varētu patiešām pārskatīt enerģijas pārraidi mūsu mājās un birojos.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
1. Yuan C et al. 2018. Korelētā izolatora uzvedība pie pusaizpildīšanas burvju leņķa grafēna superrežģos. Daba. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Netradicionāla supravadītspēja burvju leņķa grafēna superrežģos. Daba. https://doi.org/10.1038/nature26160
