Неодамнешната револуционерна студија ги покажа уникатните својства на материјалот графен за долгорочна можност за конечно развој на економични и практични суперпроводници за употреба.
A суперпроводник е материјал кој може да спроведе (пренесува) електрична енергија без отпор. Овој отпор се дефинира како одредена загуба на енергија што се јавува во текот на процесот. Значи, секој материјал станува суперспроводлив кога е способен да спроведе електрична енергија, во таа конкретна "температура' или состојба, без ослободување на топлина, звук или која било друга форма на енергија. Суперпроводниците се 100 проценти ефикасни, но повеќето материјали треба да бидат на екстремно ниско ниво енергија состојба за да станат суперспроводливи, што значи дека мора да бидат многу ладни. Повеќето суперпроводници треба да се оладат со течен хелиум до многу ниска температура од околу -270 степени Целзиусови. Така, секоја апликација на суперспроводливост е генерално поврзана со некој вид на активно или пасивно криогенско/ниско температурно ладење. Оваа постапка за ладење бара прекумерна количина на енергија сама по себе, а течниот хелиум не само што е многу скап, туку и не се обновува. Затоа, повеќето конвенционални или суперпроводници со „ниска температура“ се неефикасни, имаат свои граници, се неекономични, скапи и непрактични за употреба во големи размери.
Високотемпературни суперпроводници
Полето на суперпроводници направи голем скок во средината на 1980-тите кога беше откриено соединение од бакар оксид што може да суперспроводи на -238 степени Целзиусови. Ова е сè уште студено, но многу потопло од температурите на течниот хелиум. Ова беше познато како првиот „високотемпературен суперпроводник“ (HTC) некогаш откриен, кој ја доби Нобеловата награда, иако е „висок“ само во поголема релативна смисла. Затоа, на научниците им текна дека би можеле да се фокусираат на евентуално пронаоѓање на суперпроводници кои работат, да речеме со течен азот (-196°C) кој има плус што е достапен во изобилство и исто така ефтин. Високотемпературните суперпроводници имаат и апликации каде што се потребни многу високи магнетни полиња. Нивните колеги со ниски температури престануваат да работат на околу 23 тесла (тесла е единица за јачина на магнетното поле), така што тие не можат да се користат за да се направат посилни магнети. Но, високотемпературните суперспроводливи материјали можат да работат на повеќе од двојно повеќе од тоа поле, а веројатно и повисоко. Бидејќи суперпроводниците генерираат големи магнетни полиња, тие се суштинска компонента во скенерите и левитирачките возови. На пример, МРИ денес (Магнетна резонанца) е техника која го користи овој квалитет за да ги погледне и проучува материјалите, болестите и сложените молекули во телото. Други апликации вклучуваат складирање на електрична енергија во мрежа со енергетски ефикасни далноводи (на пример, суперспроводливите кабли можат да обезбедат 10 пати поголема енергија од бакарните жици со иста големина), генератори на енергија од ветер, а исто така и суперкомпјутери. Уредите што се способни за складирање енергија за милиони години може да се создаде со суперпроводници.
Сегашните суперпроводници со висока температура имаат свои ограничувања и предизвици. Освен што се многу скапи поради тоа што бараат уред за ладење, овие суперпроводници се направени од кршливи материјали и не се лесни за обликување и затоа не можат да се користат за правење електрични жици. Материјалот, исто така, може да биде хемиски нестабилен во одредени средини и екстремно чувствителен на нечистотии од атмосферата и водата и затоа треба генерално да биде обвиен. Тогаш постои само максимална струја што можат да ја носат суперспроводливите материјали и над критичната густина на струјата, суперспроводливоста се распаѓа и ја ограничува струјата. Огромните трошоци и непрактичноста ја попречуваат употребата на добри суперпроводници особено во земјите во развој. Инженерите, во нивната имагинација, навистина би сакале мек, податлив, феромагнетен суперпроводник кој е непропустлив за нечистотии или применета струја и магнетни полиња. Премногу да се бара!
Графенот може да биде!
Централниот критериум за успешен суперпроводник е да се најде висока температура суперспроводникr, идеалното сценарио е собна температура. Сепак, поновите материјали се сè уште ограничени и се многу предизвикувачки да се направат. Сè уште постои континуирано учење на ова поле за точната методологија што ја прифаќаат овие суперпроводници со висока температура и како научниците би можеле да дојдат до нов дизајн кој е практичен. Еден од предизвикувачките аспекти кај суперпроводниците со висока температура е тоа што е многу слабо разбрано што навистина им помага на електроните во материјалот да се спарат. Во една неодамнешна студија за прв пат се покажа дека материјалот графин има внатрешен суперспроводлив квалитет и навистина можеме да направиме графен суперпроводник во природна состојба на материјалот. Графенот, материјал кој е чисто базиран на јаглерод, е откриен дури во 2004 година и е најтенок материјал познат. Исто така е лесен и флексибилен со секој лист составен од атоми на јаглерод распоредени шестоаголно. Се гледа дека е поцврст од челикот и изразува многу подобра електрична спроводливост во споредба со бакар. Така, тоа е повеќедимензионален материјал со сите овие ветувачки својства.
Физичари од Технолошкиот институт во Масачусетс и Универзитетот Харвард, САД, чија работа е објавена во два труда1,2 in природата, објавија дека се способни да го подесат материјалот графен за да покажат две екстремни електрично однесување – како изолатор во кој не дозволува да помине струја и како суперпроводник во кој дозволува струјата да помине без никаков отпор. Создадена е „суперрешетка“ од два графенски листови наредени заедно, малку ротирани под „магичен агол“ од 1.1 степени. Овој специфичен распоред на хексагонален саќе од саќе беше направен така што потенцијално да предизвика „силно корелирани интеракции“ помеѓу електроните во листовите од графен. И ова навистина се случи затоа што графенот можеше да спроведе електрична енергија со нулта отпорност под овој „магичен агол“, додека кој било друг распореден распоред го одржуваше графенот како различен и немаше интеракција со соседните слоеви. Тие покажаа начин да се направи графенот сам да усвои својствен квалитет за супер однесување. Зошто ова е многу релевантно е затоа што истата група претходно синтетизираше графен суперпроводници со ставање на графен во контакт со други суперспроводливи метали што му дозволуваше да наследи некои суперспроводливи однесувања, но не можеше да постигне само со графен. Ова е револуционерен извештај бидејќи спроводливите способности на графен се познати подолго време, но првпат досега е постигната суперспроводливост на графен без да се менува или додава други материјали на него. Така, графенот може да се користи за да се направи транзистор како уред во суперспроводливо коло и суперспроводливост изразена со графен може да се вгради во молекуларни електронски уреди со нови функционалности.
Ова нè враќа на сите разговори за суперпроводници со висока температура и иако овој систем сè уште требаше да се олади до 1.7 степени Целзиусови, производството и користењето на графен за големи проекти сега изгледа остварливо со истражување на неговата неконвенционална суперспроводливост. За разлика од конвенционалните суперпроводници, активноста на графенот не може да се објасни со главната теорија за суперспроводливост. Ваквата неконвенционална активност е забележана во сложените бакарни оксиди наречени купрати, познати по тоа што спроведуваат електрична енергија на температура до 133 степени Целзиусови, и биле во фокусот на истражувањето повеќе децении. Иако, за разлика од овие купати, наредениот графен систем е прилично едноставен и материјалот е исто така подобро разбран. Дури сега графенот е откриен како чист суперпроводник, но материјалот сам по себе има многу извонредни способности кои се претходно познати. Оваа работа го отвора патот за посилна улога на графенот и развој на високотемпературни суперпроводници кои се еколошки и многу повеќе енергија ефикасна и што е најважно функционира на собна температура елиминирајќи ја потребата од скапо ладење. Ова би можело да го револуционизира преносот на енергија, магнетите за истражување, медицинските уреди особено скенерите и навистина би можело да го промени начинот на кој енергијата се пренесува во нашите домови и канцеларии.
***
{Можете да го прочитате оригиналниот истражувачки труд со кликнување на врската DOI дадена подолу во списокот со цитирани извори}
Извор (и)
1. Јуан Ц и сор. 2018. Корелирано однесување на изолаторот при полуполнење во графен суперрешетки со магичен агол. Природата. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Јуан Ц и сор. 2018. Неконвенционална суперспроводливост во графен суперрешетки со магичен агол. Природата. https://doi.org/10.1038/nature26160
