Niedawne przełomowe badania wykazały wyjątkowe właściwości grafenu w zakresie materiałów, które zapewniają długoterminową możliwość ostatecznego opracowania ekonomicznych i praktycznych w użyciu nadprzewodników.
A nadprzewodnik jest materiałem, który może przewodzić (przekazywać) elektryczność bez oporu. Opór ten definiuje się jako pewną utratę energia co następuje podczas procesu. Zatem każdy materiał staje się nadprzewodzący, jeśli jest w stanie przewodzić prąd elektryczny w określonymtemperatura' lub stan, bez wydzielania ciepła, dźwięku lub jakiejkolwiek innej formy energii. Nadprzewodniki są w 100% wydajne, ale większość materiałów wymaga bardzo niskiego poziomu energia stanie się nadprzewodzące, co oznacza, że muszą być bardzo zimne. Większość nadprzewodników wymaga chłodzenia ciekłym helem do bardzo niskiej temperatury około -270 stopni Celsjusza. Zatem każde zastosowanie nadprzewodnictwa jest na ogół połączone z pewnym rodzajem aktywnego lub pasywnego chłodzenia kriogenicznego/niskotemperaturowego. Ta procedura chłodzenia sama w sobie wymaga nadmiernej ilości energii, a ciekły hel jest nie tylko bardzo drogi, ale także nieodnawialny. Dlatego większość konwencjonalnych lub „niskotemperaturowych” nadprzewodników jest nieefektywna, ma swoje ograniczenia, jest nieekonomiczna, droga i niepraktyczna w zastosowaniach na dużą skalę.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
W dziedzinie nadprzewodników nastąpił duży skok w połowie lat 1980., kiedy odkryto związek tlenku miedzi, który może nadprzewodnictwo w temperaturze -238 stopni Celsjusza. To wciąż zimno, ale znacznie cieplej niż temperatura ciekłego helu. Było to znane jako pierwszy „nadprzewodnik wysokotemperaturowy” (HTC) kiedykolwiek odkryty, zdobywając nagrodę Nobla, choć „wysoki” tylko w większym względnym sensie. Dlatego naukowcom przyszło do głowy, że mogliby w końcu skupić się na znalezieniu nadprzewodników, które działają, powiedzmy, z ciekłym azotem (-196° C), mając na plusie to, że jest dostępny w dużych ilościach i jest też tani. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają również zastosowania, w których wymagane są bardzo wysokie pola magnetyczne. Ich niskotemperaturowe odpowiedniki przestają działać przy około 23 teslach (tesla jest jednostką natężenia pola magnetycznego), więc nie można ich użyć do wytwarzania silniejszych magnesów. Ale nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą działać w polu ponad dwukrotnie większym, a prawdopodobnie nawet wyższym. Ponieważ nadprzewodniki generują duże pola magnetyczne, są one niezbędnym elementem skanerów i lewitujących pociągów. Na przykład dzisiejsze MRI (obrazowanie rezonansem magnetycznym) to technika, która wykorzystuje tę jakość do oglądania i badania materiałów, chorób i złożonych cząsteczek w ciele. Inne zastosowania obejmują magazynowanie energii elektrycznej w skali sieci poprzez posiadanie wydajnych energetycznie linii energetycznych (na przykład kable nadprzewodzące mogą dostarczać 10 razy więcej energii niż przewody miedziane o tym samym rozmiarze), generatory energii wiatrowej, a także superkomputery. energię przez miliony lat można wytwarzać za pomocą nadprzewodników.
Obecne nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają swoje ograniczenia i wyzwania. Poza tym, że są bardzo drogie ze względu na wymaganie urządzenia chłodzącego, te nadprzewodniki są wykonane z materiałów kruchych i nie są łatwe do kształtowania, a zatem nie można ich stosować do wytwarzania przewodów elektrycznych. Materiał może być również chemicznie niestabilny w pewnych środowiskach i wyjątkowo wrażliwy na zanieczyszczenia z atmosfery i wody, a zatem musi być ogólnie osłonięty. Wtedy istnieje tylko maksymalny prąd, który mogą przenosić materiały nadprzewodnikowe, a powyżej krytycznej gęstości prądu nadprzewodnictwo załamuje się, ograniczając prąd. Ogromne koszty i niepraktyczność utrudniają stosowanie dobrych nadprzewodników, zwłaszcza w krajach rozwijających się. Inżynierowie w swojej wyobraźni naprawdę chcieliby miękkiego, plastycznego, ferromagnetycznego nadprzewodnika, który jest nieprzepuszczalny dla zanieczyszczeń lub przyłożonego prądu i pól magnetycznych. Za dużo prosić!
Grafen może być tym!
Głównym kryterium skutecznego nadprzewodnika jest znalezienie wysokiej temperatury nadprzewodnikr, idealnym scenariuszem jest temperatura pokojowa. Jednak nowsze materiały są nadal ograniczone i są bardzo trudne do wykonania. W tej dziedzinie wciąż trwają nauki dotyczące dokładnej metodologii przyjętej przez te nadprzewodniki wysokotemperaturowe i sposobu, w jaki naukowcy mogą opracować nowy projekt, który jest praktyczny. Jednym z trudnych aspektów nadprzewodników wysokotemperaturowych jest to, że bardzo słabo wiadomo, co naprawdę pomaga elektronom w materiale łączyć się w pary. W niedawnym badaniu po raz pierwszy wykazano, że materiał grafenu ma wrodzoną jakość nadprzewodnictwa i naprawdę możemy wykonać nadprzewodnik grafenowy w stanie naturalnym materiału. Grafen, materiał oparty wyłącznie na węglu, został odkryty dopiero w 2004 roku i jest najcieńszym znanym materiałem. Jest również lekki i elastyczny, a każdy arkusz składa się z atomów węgla ułożonych heksagonalnie. Uważa się, że jest mocniejszy niż stal i wykazuje znacznie lepszą przewodność elektryczną w porównaniu z miedzią. Jest to więc materiał wielowymiarowy o wszystkich tych obiecujących właściwościach.
Fizycy z Massachusetts Institute of Technology i Harvard University, USA, których prace zostały opublikowane w dwóch artykułach1,2 in Natura, poinformowali, że są w stanie dostroić materiał grafenu, aby wykazywał dwa ekstremalne zachowania elektryczne – jako izolator, w którym nie przepuszcza żadnego prądu, oraz jako nadprzewodnik, w którym prąd może przepływać bez żadnego oporu. Utworzono „supersiatkę” z dwóch arkuszy grafenu ułożonych w stos, lekko obróconych pod „magicznym kątem” 1.1 stopnia. Ten szczególny układ nakładającego się sześciokątnego plastra miodu został wykonany, aby potencjalnie wywołać „silnie skorelowane interakcje” między elektronami w arkuszach grafenu. Stało się tak, ponieważ grafen mógł przewodzić elektryczność z zerową rezystancją pod tym „magicznym kątem”, podczas gdy każdy inny układ ułożony w stos utrzymywał grafen jako odrębny i nie było interakcji z sąsiednimi warstwami. Pokazali, jak sprawić, by grafen przyjął samoistną jakość do samodzielnych superprzewodności. Jest to bardzo istotne, ponieważ ta sama grupa wcześniej zsyntetyzowała nadprzewodniki grafenowe, umieszczając grafen w kontakcie z innymi metalami nadprzewodnikowymi, co pozwoliło mu dziedziczyć pewne zachowania nadprzewodnikowe, ale nie było to możliwe z samym grafenem. Jest to przełomowe sprawozdanie, ponieważ zdolności przewodzenia grafenu są znane od jakiegoś czasu, ale po raz pierwszy w historii osiągnięto nadprzewodnictwo grafenu bez zmiany lub dodania do niego innych materiałów. urządzenie w obwodzie nadprzewodzącym, a nadprzewodnictwo wyrażane przez grafen może zostać włączone do molekularnych urządzeń elektronicznych o nowych funkcjach.
To prowadzi nas z powrotem do wszystkich rozmów na temat nadprzewodników wysokotemperaturowych i chociaż system ten nadal wymagał schłodzenia do 1.7 stopnia Celsjusza, produkcja i wykorzystanie grafenu w dużych projektach wydaje się teraz możliwe do osiągnięcia dzięki badaniu jego niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa. W odróżnieniu od konwencjonalnych nadprzewodników, aktywności grafenu nie można wytłumaczyć nurtową teorią nadprzewodnictwa. Taką niekonwencjonalną aktywność zaobserwowano w przypadku złożonych tlenków miedzi zwanych miedzianami, o których wiadomo, że przewodzą prąd o temperaturze do 133 stopni Celsjusza, i są one przedmiotem badań od wielu dziesięcioleci. Chociaż w przeciwieństwie do tych miedzianów, układ grafenu skumulowanego jest dość prosty, a materiał jest również lepiej poznany. Dopiero teraz odkryto grafen jako czysty nadprzewodnik, ale materiał sam w sobie ma wiele niezwykłych właściwości, które były znane wcześniej. Prace te torują drogę do zwiększenia roli grafenu i opracowania nadprzewodników wysokotemperaturowych, które są przyjazne dla środowiska i bardziej energia wydajny i, co najważniejsze, działa w temperaturze pokojowej, eliminując potrzebę kosztownego chłodzenia. Może to zrewolucjonizować przesyłanie energii, przeprowadzić badania nad magnesami, urządzeniami medycznymi, zwłaszcza skanerami, i naprawdę zmienić sposób przesyłania energii w naszych domach i biurach.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
1. Yuan C i in. 2018. Skorelowane zachowanie izolatora przy wypełnieniu do połowy supersieci grafenowej pod magicznym kątem. Natura. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C i in. 2018. Nadprzewodnictwo niekonwencjonalne w supersieciach grafenowych pod magicznym kątem. Natura. https://doi.org/10.1038/nature26160
