Скорошно новаторско проучване показа уникалните свойства на графена за разработване на икономични и практични за употреба свръхпроводници.
A свръхпроводник е материал, който може да провежда (предава) електричество без съпротива. Това съпротивление се определя като известна загуба на енергия което се случва по време на процеса. И така, всеки материал става свръхпроводим, когато е в състояние да провежда електричество, в това конкретно "температура“ или състояние, без отделяне на топлина, звук или друга форма на енергия. Свръхпроводниците са 100 процента ефективни, но повечето материали изискват изключително ниско ниво енергия състояние, за да станат свръхпроводими, което означава, че те трябва да са много студени. Повечето свръхпроводници трябва да бъдат охладени с течен хелий до много ниска температура от около -270 градуса по Целзий. По този начин всяко свръхпроводящо приложение обикновено е съчетано с някакъв вид активно или пасивно криогенно/нискотемпературно охлаждане. Тази процедура на охлаждане изисква прекомерно количество енергия сама по себе си, а течният хелий е не само много скъп, но и невъзобновяем. Следователно повечето конвенционални или „нискотемпературни“ свръхпроводници са неефективни, имат своите граници, неикономични са, скъпи и непрактични за използване в голям мащаб.
Високотемпературни свръхпроводници
Областта на свръхпроводниците направи голям скок в средата на 1980-те години на миналия век, когато беше открито съединение от меден оксид, което може да свръхпроводи при -238 градуса по Целзий. Това все още е студено, но много по-топло от температурите на течен хелий. Това беше известно като първият открит някога „високотемпературен свръхпроводник“ (HTC), който спечели Нобеловата награда, макар че е „висок“ само в по-голям относителен смисъл. Затова на учените им хрумна, че биха могли да се съсредоточат върху евентуално намиране на свръхпроводници, които работят, да речем с течен азот (-196° C), като има плюс, че е наличен в изобилие и също така е евтин. Високотемпературните свръхпроводници също имат приложения, където се изискват много високи магнитни полета. Техните нискотемпературни колеги спират да работят при около 23 тесла (тесла е единица за сила на магнитното поле), така че не могат да се използват за производство на по-силни магнити. Но високотемпературните свръхпроводящи материали могат да работят при повече от два пъти по-голямо поле и вероятно дори по-високо. Тъй като свръхпроводниците генерират големи магнитни полета, те са основен компонент в скенерите и левитиращите влакове. Например, днес ЯМР (магнитен резонанс) е техника, която използва това качество за разглеждане и изследване на материали, болести и сложни молекули в тялото. Други приложения включват мрежово съхранение на електроенергия чрез наличието на енергийно ефективни електропроводи (например, свръхпроводящите кабели могат да осигурят 10 пъти повече мощност от медните проводници със същия размер), вятърни генератори, както и суперкомпютри. Устройствата, които могат да съхраняват енергията за милиони години може да бъде създадена със свръхпроводници.
Настоящите високотемпературни свръхпроводници имат свои собствени ограничения и предизвикателства. Освен че са много скъпи поради необходимостта от охлаждащо устройство, тези свръхпроводници са направени от крехки материали и не са лесни за оформяне и по този начин не могат да се използват за направата на електрически проводници. Материалът също може да бъде химически нестабилен в определени среди и изключително чувствителен към замърсявания от атмосферата и водата и следователно трябва да бъде като цяло затворен. Тогава има само максимален ток, който свръхпроводящите материали могат да пренасят и над критичната плътност на тока, свръхпроводимостта се разпада, ограничавайки тока. Огромните разходи и непрактичност възпрепятстват използването на добри свръхпроводници, особено в развиващите се страни. Инженерите, в тяхното въображение, наистина биха искали мек, ковък, феромагнитен свръхпроводник, който е непроницаем за примеси или приложен ток и магнитни полета. Твърде много за искане!
Графенът може да е това!
Централният критерий за успешен свръхпроводник е намирането на висока температура свръхпроводникr, идеалният сценарий е стайна температура. По-новите материали обаче все още са ограничени и са много предизвикателни за изработка. Все още има непрекъснато обучение в тази област за точната методология, която тези високотемпературни свръхпроводници приемат и как учените могат да стигнат до нов дизайн, който е практичен. Един от предизвикателните аспекти при високотемпературните свръхпроводници е, че е много слабо разбрано какво наистина помага на електроните в материала да се сдвоят. В скорошно проучване за първи път е доказано, че материалът графен има присъщо свръхпроводящо качество и наистина можем да направим графенов свръхпроводник в естественото състояние на материала. Графенът, чисто въглероден материал, е открит едва през 2004 г. и е най-тънкият известен материал. Освен това е лек и гъвкав, като всеки лист се състои от въглеродни атоми, подредени шестоъгълно. Вижда се, че е по-здрава от стоманата и изразява много по-добра електрическа проводимост в сравнение с медта. По този начин това е многоизмерен материал с всички тези обещаващи свойства.
Физици от Масачузетския технологичен институт и Харвардския университет, САЩ, чиято работа е публикувана в две статии1,2 in природа, съобщават, че са в състояние да настроят материала графен, за да покаже две екстремни електрическо поведение - като изолатор, в който не позволява да преминава никакъв ток и като свръхпроводник, в който позволява токът да преминава без никакво съпротивление. Създадена е „суперрешетка“ от два графенови листа, подредени заедно, леко завъртени под „магически ъгъл“ от 1.1 градуса. Това конкретно наслагване на хексагонално подреждане на пчелна пита беше направено така, че потенциално да предизвика „силно корелирани взаимодействия“ между електроните в графеновите листове. И това се случи, защото графенът можеше да провежда електричество с нулево съпротивление при този „магически ъгъл“, докато всяко друго подредено подреждане поддържаше графена като отделен и нямаше взаимодействие със съседните слоеве. Те показаха начин да накарат графена да приеме присъщо качество за супер поведение сам по себе си. Защо това е много уместно е, защото същата група преди това е синтезирала графенови свръхпроводници, като поставя графен в контакт с други свръхпроводящи метали, което му позволява да наследи някои свръхпроводящи поведения, но не може да постигне само с графен. Това е новаторски доклад, тъй като проводимите способности на графена са известни от известно време, но това е първият път, когато свръхпроводимостта на графена е постигната без да се променят или добавят други материали към него. По този начин графенът може да се използва за направата на транзистор устройство в свръхпроводяща верига и свръхпроводимостта, изразена от графен, може да бъде включена в устройства за молекулярна електроника с нови функционалности.
Това ни връща към всички разговори за високотемпературни свръхпроводници и въпреки че тази система все още трябваше да бъде охладена до 1.7 градуса по Целзий, производството и използването на графен за големи проекти сега изглежда постижимо чрез изследване на неговата нетрадиционна свръхпроводимост. За разлика от конвенционалните свръхпроводници, активността на графена не може да се обясни с основната теория за свръхпроводимостта. Подобна нетрадиционна активност е наблюдавана в сложни медни оксиди, наречени купрати, за които е известно, че провеждат електричество при температури до 133 градуса по Целзий, и са били в центъра на изследванията в продължение на няколко десетилетия. Въпреки че, за разлика от тези купрати, подредената графенова система е доста проста и материалът също се разбира по-добре. Едва сега графенът е открит като чист свръхпроводник, но материалът сам по себе си има много изключителни способности, които са известни по-рано. Тази работа проправя път за по-силна роля на графена и разработване на високотемпературни свръхпроводници, които са щадящи околната среда и много повече енергия ефективна и най-важното работа при стайна температура, елиминирайки необходимостта от скъпо охлаждане. Това би могло да революционизира предаването на енергия, изследователските магнити, медицинските устройства, особено скенерите, и може наистина да промени начина, по който енергията се предава в нашите домове и офиси.
***
Източник (и)
1. Yuan C et al. 2018. Корелирано поведение на изолатора при полузапълване в графенови суперрешетки с магически ъгъл. природата. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Неконвенционална свръхпроводимост в графенови суперрешетки с магически ъгъл. природата. https://doi.org/10.1038/nature26160
***
