Un studiu revoluționar recent a arătat proprietățile unice ale materialului grafen pentru o posibilitate pe termen lung de a dezvolta în sfârșit supraconductori economici și practic de utilizat.
A supraconductor este un material care poate conduce (transmite) electricitate fara rezistenta. Această rezistență este definită ca o anumită pierdere a energie care are loc în timpul procesului. Deci, orice material devine supraconductiv atunci când este capabil să conducă electricitatea, la acel anume.temperatură„sau condiție, fără eliberare de căldură, sunet sau orice altă formă de energie. Supraconductorii sunt 100 la sută eficienți, dar majoritatea materialelor trebuie să fie la un nivel extrem de scăzut energie stare pentru a deveni supraconductoare, ceea ce înseamnă că trebuie să fie foarte reci. Majoritatea supraconductoarelor trebuie să fie răcite cu heliu lichid la o temperatură foarte scăzută de aproximativ -270 de grade Celsius. Astfel, orice aplicație supraconductoare este în general cuplată cu un fel de răcire criogenică/de temperatură joasă activă sau pasivă. Această procedură de răcire necesită o cantitate excesivă de energie în sine, iar heliul lichid nu este doar foarte scump, ci și neregenerabil. Prin urmare, majoritatea supraconductoarelor convenționale sau „de temperatură joasă” sunt ineficienți, au limitele lor, sunt neeconomice, costisitoare și nepractice pentru utilizare la scară largă.
Supraconductori de înaltă temperatură
Domeniul supraconductorilor a făcut un salt major la mijlocul anilor 1980, când a fost descoperit un compus de oxid de cupru care putea supraconduce la -238 de grade Celsius. Acesta este încă rece, dar mult mai cald decât temperatura heliului lichid. Acesta a fost cunoscut drept primul „superconductor de temperatură înaltă” (HTC) descoperit vreodată, câștigând premiul Nobel, deși „înalt” este doar într-un sens relativ mai mare. Prin urmare, oamenilor de știință le-a trecut prin minte că s-ar putea concentra pe găsirea de supraconductori care funcționează, să spunem cu azot lichid (-196 ° C), având avantajul că este disponibil din abundență și este, de asemenea, ieftin. Supraconductorii de înaltă temperatură au, de asemenea, aplicații în care sunt necesare câmpuri magnetice foarte mari. Omologul lor de temperatură scăzută nu mai funcționează la aproximativ 23 de tesla (tesla este o unitate de putere a câmpului magnetic), așa că nu pot fi folosiți pentru a face magneți mai puternici. Dar materialele supraconductoare la temperatură înaltă pot funcționa la mai mult de două ori acest câmp și probabil chiar mai mult. Deoarece supraconductorii generează câmpuri magnetice mari, ei sunt o componentă esențială în scanere și trenuri în levitație. De exemplu, RMN-ul de astăzi (Magnetic Resonance Imaging) este o tehnică care folosește această calitate pentru a privi și a studia materialele, bolile și moleculele complexe din organism. Alte aplicații includ stocarea energiei electrice la scară în rețea, având linii electrice eficiente din punct de vedere energetic (de exemplu, cablurile supraconductoare pot furniza de 10 ori mai multă putere decât firele de cupru de aceeași dimensiune), generatoare de energie eoliană și, de asemenea, supercalculatoare. Dispozitivele care sunt capabile să stocheze energia pentru milioane de ani poate fi creată cu supraconductori.
Supraconductorii actuali la temperaturi ridicate au propriile lor limitări și provocări. Pe lângă faptul că sunt foarte scumpe din cauza necesității unui dispozitiv de răcire, acești supraconductori sunt fabricați din materiale fragile și nu sunt ușor de modelat și, prin urmare, nu pot fi utilizați pentru a face fire electrice. Materialul poate fi, de asemenea, instabil din punct de vedere chimic în anumite medii și extrem de sensibil la impuritățile din atmosferă și apă și, prin urmare, trebuie să fie în general închis. Apoi, există doar un curent maxim pe care materialele supraconductoare îl pot transporta și peste o densitate critică de curent, supraconductivitatea se defectează limitând curentul. Costurile uriașe și impracticabilitatea împiedică utilizarea supraconductoarelor bune, în special în țările în curs de dezvoltare. Inginerii, în imaginația lor, și-ar dori cu adevărat un supraconductor moale, maleabil, feromagnetic, care este impermeabil la impurități sau la curentul aplicat și la câmpurile magnetice. Prea multe de cerut!
Grafenul ar putea fi!
Criteriul central al unui supraconductor de succes este găsirea unei temperaturi ridicate supraconductor, scenariul ideal fiind temperatura camerei. Cu toate acestea, materialele mai noi sunt încă limitate și sunt foarte dificil de realizat. Există încă o învățare continuă în acest domeniu despre metodologia exactă pe care o adoptă acești supraconductori de înaltă temperatură și despre modul în care oamenii de știință ar putea ajunge la un nou design practic. Unul dintre aspectele provocatoare ale supraconductorilor de temperatură înaltă este că este foarte puțin înțeles ce ajută cu adevărat electronii dintr-un material să se împerecheze. Într-un studiu recent s-a arătat pentru prima dată că materialul grafen are calitate superconductoare intrinsecă și putem face cu adevărat un supraconductor de grafen în starea naturală a materialului. Grafenul, un material pur pe bază de carbon, a fost descoperit abia în 2004 și este cel mai subțire material cunoscut. De asemenea, este ușor și flexibil, fiecare foaie formată din atomi de carbon dispuși hexagonal. Se vede a fi mai puternic decât oțelul și exprimă o conductivitate electrică mult mai bună în comparație cu cuprul. Astfel, este un material multidimensional cu toate aceste proprietăți promițătoare.
Fizicieni de la Massachusetts Institute of Technology și de la Universitatea Harvard, SUA, ale căror lucrări sunt publicate în două lucrări1,2 in Natură, au raportat că sunt capabili să regleze materialul grafen pentru a prezenta două comportamente electrice extreme - ca un izolator în care nu permite trecerea niciunui curent și ca un supraconductor în care permite trecerea curentului fără nicio rezistență. O „superlatice” din două foi de grafen a fost creată stivuite împreună, rotite ușor la un „unghi magic” de 1.1 grade. Acest aranjament special de tip fagure hexagonal suprapus a fost realizat astfel încât să poată induce „interacțiuni puternic corelate” între electronii din foile de grafen. Și acest lucru s-a întâmplat pentru că grafenul putea conduce electricitatea cu rezistență zero la acest „unghi magic”, în timp ce orice alt aranjament stivuit păstra grafenul la fel de distinct și nu a existat nicio interacțiune cu straturile învecinate. Ei au arătat o modalitate de a face grafenul să adopte o calitate intrinsecă super-conduită pe cont propriu. De ce acest lucru este foarte relevant se datorează faptului că același grup a sintetizat anterior supraconductori de grafen, punând grafenul în contact cu alte metale supraconductoare, permițându-i să moștenească unele comportamente supraconductoare, dar nu le-a putut realiza numai cu grafenul. Acesta este un raport revoluționar, deoarece abilitățile conductive ale grafenului sunt cunoscute de ceva vreme, dar este prima dată când supraconductivitatea grafenului a fost atinsă fără a modifica sau adăuga alte materiale la acesta. Astfel, grafenul ar putea fi folosit pentru a face un tranzistor asemănător dispozitiv într-un circuit supraconductor și supraconductivitatea exprimată de grafen ar putea fi încorporată în dispozitive electronice moleculare cu funcționalități noi.
Acest lucru ne readuce la toate discuțiile despre supraconductorii de înaltă temperatură și, deși acest sistem încă mai trebuia răcit la 1.7 grade Celsius, producerea și utilizarea grafenului pentru proiecte mari pare a fi realizabilă acum prin investigarea supraconductivității sale neconvenționale. Spre deosebire de supraconductorii convenționali, activitatea grafenului nu poate fi explicată prin teoria dominantă a supraconductivității. O astfel de activitate neconvențională a fost observată în oxizii complecși de cupru numiți cuprați, cunoscuți că conduc electricitatea la până la 133 de grade Celsius și a fost în centrul cercetărilor de mai multe decenii. Deși, spre deosebire de acești cuprați, un sistem de grafen stivuit este destul de simplu și materialul este, de asemenea, înțeles mai bine. Abia acum grafenul a fost descoperit ca un supraconductor pur, dar materialul în sine are multe capacități remarcabile care sunt cunoscute anterior. Această lucrare deschide calea pentru un rol mai puternic al grafenului și dezvoltarea de supraconductori la temperatură înaltă care sunt prietenoși cu mediul și mai mult. energie eficient și cel mai important funcționează la temperatura camerei eliminând necesitatea unei răciri costisitoare. Acest lucru ar putea revoluționa transmisia energiei, magneții de cercetare, dispozitivele medicale, în special scanerele, și ar putea schimba cu adevărat modul în care energia este transmisă în casele și birourile noastre.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
1. Yuan C și colab. 2018. Comportamentul izolatorului corelat la jumătate de umplere a superrețelelor de grafen cu unghi magic. Natură. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C și colab. 2018. Supraconductivitate neconvențională în superrețele de grafen cu unghi magic. Natură. https://doi.org/10.1038/nature26160
