Скорошно революционно проучване показа уникалните свойства на материала графен за дългосрочна възможност за най-накрая разработване на икономични и практични за използване свръхпроводници.
A свръхпроводник is a material which can conduct (transmit) електричество without resistance. This resistance is defined as some loss of енергия which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘температура’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low енергия state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
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.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more енергия efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
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
