Недавнее новаторское исследование показало уникальные свойства материала графена, что в долгосрочной перспективе дает возможность, наконец, разработать экономичные и практичные в использовании сверхпроводники.
A сверхпроводник это материал, который может проводить (передавать) электричество без сопротивления. Это сопротивление определяется как некоторая потеря энергии, которая происходит во время процесса. Итак, любой материал становится сверхпроводящим, когда он способен проводить электричество при данной «температуре» или условиях без выделения тепла, звука или любой другой формы энергии. Сверхпроводники на 100 процентов эффективны, но большинству материалов требуется чрезвычайно низкое энергетическое состояние, чтобы стать сверхпроводящими, а это означает, что они должны быть очень холодными. Большинство сверхпроводников необходимо охлаждать жидким гелием до очень низкой температуры, около -270 градусов Цельсия. Таким образом, любое сверхпроводящее применение обычно связано с каким-либо активным или пассивным криогенным / низкотемпературным охлаждением. Эта процедура охлаждения сама по себе требует чрезмерного количества энергии, а жидкий гелий не только очень дорог, но и невозобновляем. Следовательно, большинство обычных или «низкотемпературных» сверхпроводников неэффективны, имеют свои ограничения, неэкономичны, дороги и непрактичны для крупномасштабного использования.
Высокотемпературные сверхпроводники
В области сверхпроводников произошел значительный скачок в середине 1980-х, когда было обнаружено соединение оксида меди, которое могло сверхпроводить при -238 градусах Цельсия. Это все еще холодно, но намного теплее, чем температура жидкого гелия. Он был известен как первый из когда-либо обнаруженных «высокотемпературных сверхпроводников» (ВТВ), получивший Нобелевскую премию, хотя это «максимум» только в большем относительном смысле. Поэтому ученым пришло в голову, что они могут сосредоточиться на поиске сверхпроводников, которые работают, скажем, с жидким азотом (-196 ° C), имея плюс в том, что он доступен в большом количестве и к тому же дешев. Высокотемпературные сверхпроводники также применяются там, где требуются очень сильные магнитные поля. Их низкотемпературные аналоги перестают работать при температуре около 23 тесла (тесла - единица напряженности магнитного поля), поэтому их нельзя использовать для создания более сильных магнитов. Но высокотемпературные сверхпроводящие материалы могут работать в более чем вдвое большем, а может быть, и более высоком поле. Поскольку сверхпроводники генерируют большие магнитные поля, они являются важным компонентом сканеров и парящих поездов. Например, сегодня МРТ (магнитно-резонансная томография) - это метод, который использует это качество для просмотра и изучения материалов, болезней и сложных молекул в организме. Другие приложения включают хранение электроэнергии в масштабе сети за счет использования энергоэффективных линий электропередач (например, сверхпроводящие кабели могут обеспечивать в 10 раз больше мощности, чем медные провода того же размера), ветряные генераторы, а также суперкомпьютеры. энергия в течение миллионов лет может быть создана с помощью сверхпроводников.
Современные высокотемпературные сверхпроводники имеют свои ограничения и проблемы. Помимо того, что эти сверхпроводники очень дороги из-за наличия охлаждающего устройства, они изготовлены из хрупких материалов, их нелегко придать форму и, следовательно, их нельзя использовать для изготовления электрических проводов. Материал также может быть химически нестабильным в определенных средах и чрезвычайно чувствителен к примесям из атмосферы и воды, поэтому его обычно следует заключать в оболочку. Тогда существует только максимальный ток, который сверхпроводящие материалы могут нести, и выше критической плотности тока сверхпроводимость выходит из строя, ограничивая ток. Огромные затраты и непрактичность препятствуют использованию хороших сверхпроводников, особенно в развивающихся странах. В своем воображении инженеры действительно хотели бы получить мягкий, податливый ферромагнитный сверхпроводник, непроницаемый для примесей или приложенного тока и магнитных полей. Слишком много, чтобы просить!
Это может быть графен!
Центральный критерий успешного сверхпроводника - найти высокую температуру. сверхпроводникr, идеальным сценарием является комнатная температура. Однако новые материалы все еще ограничены, и их очень сложно изготовить. В этой области все еще продолжается изучение точной методологии, которую используют эти высокотемпературные сверхпроводники, и того, как ученые могут прийти к новой, практичной конструкции. Одним из сложных аспектов высокотемпературных сверхпроводников является то, что очень плохо понимается, что на самом деле помогает электронам в материале образовывать пары. В недавнем исследовании впервые было показано, что материал графен обладает внутренним качеством сверхпроводимости, и мы действительно можем создать графеновый сверхпроводник в собственном естественном состоянии материала. Графен, чисто углеродный материал, был открыт только в 2004 году и является самым тонким из известных материалов. Он также легкий и гибкий, каждый лист состоит из атомов углерода, расположенных гексагонально. Видно, что он прочнее стали и имеет гораздо лучшую электропроводность по сравнению с медью. Таким образом, это многомерный материал со всеми этими многообещающими свойствами.
Физики Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, США, чьи работы опубликованы в двух статьях.1,2 in природа, сообщили, что они могут настроить материал графен, чтобы показать два крайних электрических поведения - в качестве изолятора, в котором он не пропускает ток, и в качестве сверхпроводника, в котором он позволяет току проходить без какого-либо сопротивления. Была создана «сверхрешетка» из двух листов графена, сложенных вместе, слегка повернутых на «магический угол» 1.1 градуса. Это конкретное наложение гексагонального сотового рисунка было сделано так, чтобы потенциально вызвать «сильно коррелированные взаимодействия» между электронами в графеновых листах. И это действительно произошло, потому что графен мог проводить электричество с нулевым сопротивлением под этим «магическим углом», в то время как любая другая сложенная структура сохраняла графен отдельно и не взаимодействовала с соседними слоями. Они показали способ заставить графен обрести внутреннее свойство сверхпроводимости. Это очень важно, потому что та же группа ранее синтезировала графеновые сверхпроводники, помещая графен в контакт с другими сверхпроводящими металлами, что позволило ему унаследовать некоторые сверхпроводящие свойства, но не смогла добиться этого с одним графеном. Это новаторский отчет, потому что проводящие способности графена были известны давно, но это первый случай, когда сверхпроводимость графена была достигнута без изменения или добавления к нему других материалов. Таким образом, графен может быть использован для создания транзисторного типа. устройство в сверхпроводящей цепи, и сверхпроводимость, выраженная графеном, может быть включена в устройства молекулярной электроники с новыми функциями.
Это возвращает нас ко всем разговорам о высокотемпературных сверхпроводниках, и хотя эту систему все еще нужно было охладить до 1.7 градуса по Цельсию, производство и использование графена для крупных проектов теперь выглядит достижимым, если исследовать его нетрадиционную сверхпроводимость. В отличие от обычных сверхпроводников активность графена не может быть объяснена основной теорией сверхпроводимости. Такая нетрадиционная активность наблюдалась в сложных оксидах меди, называемых купратами, которые, как известно, проводят электричество при температуре до 133 градусов по Цельсию, и была предметом исследований в течение нескольких десятилетий. Хотя, в отличие от этих купратов, многослойная графеновая система довольно проста, и материал также лучше изучен. Только сейчас графен был открыт как чистый сверхпроводник, но сам по себе материал обладает многими выдающимися возможностями, которые были известны ранее. Эта работа открывает путь к усилению роли графена и разработке высокотемпературных сверхпроводников, которые являются экологически чистыми, более энергоэффективными и, что наиболее важно, работают при комнатной температуре, устраняя необходимость в дорогостоящем охлаждении. Это могло бы произвести революцию в передаче энергии, исследовательских магнитах, медицинских устройствах, особенно в сканерах, и могло бы действительно изменить способ передачи энергии в наших домах и офисах.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
1. Юань С. и др. 2018. Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена под магическим углом. Природа. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Юань С. и др. 2018. Нетрадиционная сверхпроводимость в сверхрешетках графена под магическим углом. Природа. https://doi.org/10.1038/nature26160
