РЕКЛАМА

Графен: Гигантски скок към свръхпроводници със стайна температура

НАУКИХИМИЯГрафен: Гигантски скок към свръхпроводници със стайна температура

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 е материал, който може да провежда (предава) електричество без съпротивление. Това съпротивление се определя като известна загуба на енергия, която възниква по време на процеса. И така, всеки материал става свръхпроводим, когато е в състояние да провежда електричество при тази конкретна „температура“ или състояние, без да отделя топлина, звук или каквато и да е друга форма на енергия. Свръхпроводниците са 100 процента ефективни, но повечето материали изискват да бъдат в състояние с изключително ниска енергия, за да станат свръхпроводими, което означава, че 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 приложение на свръхпроводимост обикновено е съчетано с някакъв вид активно или пасивно криогенно/нискотемпературно охлаждане. Тази охлаждаща процедура 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, скъпи и непрактични за широкомащабна употреба.

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 високотемпературните 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 изглежда постижимо сега чрез изследване на неговата неконвенционална свръхпроводимост. За разлика от конвенционалните свръхпроводници, активността на графена не може да се обясни с основната теория на свръхпроводимостта. Такава неконвенционална активност е наблюдавана в сложни медни оксиди, наречени купрати, за които е известно, че провеждат електричество при температура до 133 градуса по Целзий и е в центъра на изследванията от 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 били известни преди. Тази работа проправя път за по-силна роля на графена и разработване на високотемпературни свръхпроводници, които са щадящи околната среда и по-енергийно ефективни и най-важното функционират при стайна температура, елиминирайки необходимостта от скъпо охлаждане. Това би могло да революционизира предаването на енергия, изследователските магнити, медицинските устройства, особено скенерите, и наистина би могло да промени начина, по който енергията се предава в нашите домове и офиси.

***

{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

Екип на SCIEU
Екип на SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Значителен напредък в науката. Въздействие върху човечеството. Вдъхновяващи умове.

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

Проследен произход на високоенергийните неутрино

Произходът на високоенергийното неутрино е проследен за...

NeoCoV: Първият случай на вирус, свързан с MERS-CoV, използващ ACE2

NeoCoV, щам на коронавирус, свързан с MERS-CoV, открит в...

Изкуствен мускул

В основен напредък в роботиката, роботът с "меки"...
- Реклама -
99,767Феновекато
69,705последователиСледвай ни
6,319последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се