Недавна револуционарна студија показала је јединствена својства графена за развој економичних и практичних суперпроводника.
A суперпреводник је материјал који може да спроводи (преноси) електрицитет без отпора. Овај отпор се дефинише као неки губитак енергија који се јавља током процеса. Дакле, сваки материјал постаје суправодљив када је у стању да проводи електрицитет, на том одређеном 'температура' или стање, без ослобађања топлоте, звука или било ког другог облика енергије. Суперпроводници су 100 посто ефикасни, али већина материјала захтева да буде у изузетно ниском нивоу енергија стању да би постали суперпроводни, што значи да морају бити веома хладни. Већина суперпроводника треба да се охлади течним хелијумом до веома ниске температуре од око -270 степени Целзијуса. Стога је свака примена суправодљивости генерално повезана са неком врстом активног или пасивног криогеног/нискотемпературног хлађења. Ова процедура хлађења сама по себи захтева превелику количину енергије, а течни хелијум није само веома скуп већ и необновљив. Стога је већина конвенционалних или „нискотемпературних“ суперпроводника неефикасна, имају своје границе, неекономични су, скупи и непрактични за употребу у великим размерама.
Високотемпературни суперпроводници
Област суперпроводника направила је велики скок средином 1980-их када је откривено једињење оксида бакра које може да буде суперпроводљиво на -238 степени Целзијуса. Ово је још увек хладно, али много топлије од температуре течног хелијума. Ово је било познато као први „високотемпературни суперпроводник“ (ХТЦ) икада откривен, који је освојио Нобелову награду, иако је „висок“ само у већем релативном смислу. Стога је научницима пало на памет да би могли да се фокусирају на евентуално проналажење суперпроводника који раде, рецимо са течним азотом (-196° Ц) који има плус што је доступан у изобиљу и такође је јефтин. Високотемпературни суперпроводници такође имају примене где су потребна веома велика магнетна поља. Њихове нискотемпературне колеге престају да раде на око 23 тесла (тесла је јединица јачине магнетног поља) тако да се не могу користити за прављење јачих магнета. Али високотемпературни суперпроводни материјали могу да раде на више од двоструко већем пољу, а вероватно чак и више. Пошто суперпроводници стварају велика магнетна поља, они су суштинска компонента у скенерима и левитирајућим возовима. На пример, МРИ данас (магнетна резонанца) је техника која користи овај квалитет за посматрање и проучавање материјала, болести и сложених молекула у телу. Остале примене обухватају складиштење електричне енергије у мрежи помоћу енергетски ефикасних далековода (пример, суперпроводни каблови могу да обезбеде 10 пута више снаге од бакарних жица исте величине), генераторе енергије ветра и такође суперкомпјутере. Уређаји који могу да складиште енергија милионима година може да се створи са суправодницима.
Садашњи високотемпературни суперпроводници имају своја ограничења и изазове. Осим што су веома скупи због потребе за расхладним уређајем, ови суперпроводници су направљени од крхких материјала и није их лако обликовати и стога се не могу користити за прављење електричних жица. Материјал такође може бити хемијски нестабилан у одређеним срединама и изузетно осетљив на нечистоће из атмосфере и воде, те стога мора бити генерално затворен. Тада постоји само максимална струја коју суперпроводни материјали могу да носе и изнад критичне густине струје, суперпроводљивост се прекида ограничавајући струју. Огромни трошкови и непрактичност ометају употребу добрих суперпроводника, посебно у земљама у развоју. Инжењери би, у својој машти, заиста желели мекан, савитљив, феромагнетни суперпроводник који је неотпоран на нечистоће или примењену струју и магнетна поља. Превише да се тражи!
Графен би могао бити то!
Централни критеријум успешног суперпроводника је проналажење високе температуре суперцондуцтор, идеалан сценарио је собна температура. Међутим, новији материјали су и даље ограничени и веома их је тешко направити. Још увек постоји континуирано учење у овој области о тачној методологији коју усвајају ови високотемпературни суперпроводници и како научници могу доћи до новог дизајна који је практичан. Један од изазовних аспеката у високотемпературним суперпроводницима је то што се веома слабо разуме шта заиста помаже електронима у материјалу да се упаре. У недавној студији по први пут је показано да материјал графен има својствени квалитет суперпроводљивости и заиста можемо направити графенски суперпроводник у природном стању материјала. Графен, материјал на бази чистог угљеника, откривен је тек 2004. године и најтањи је познати материјал. Такође је лаган и флексибилан са сваким листом који се састоји од атома угљеника распоређених хексагонално. Види се да је јачи од челика и показује много бољу електричну проводљивост у поређењу са бакром. Дакле, то је вишедимензионални материјал са свим овим обећавајућим својствима.
Физичари са Масачусетског технолошког института и Универзитета Харвард, САД, чији рад је објављен у два рада1,2 in Природа, су известили да су у стању да подесе материјал графен да покаже два екстремна електрична понашања - као изолатор у коме не дозвољава да струја прође и као супрапроводник у коме дозвољава струји да пролази без икаквог отпора. Створена је „суперрешетка“ од два листа графена наслаганих заједно лагано ротираних под „магичним углом“ од 1.1 степен. Овај посебан распоред шестоугаоног саћа у облику саћа је направљен тако да потенцијално изазове „јако корелиране интеракције“ између електрона у графенским листовима. И то се догодило јер је графен могао да спроводи електричну енергију са нултим отпором под овим „магичним углом“, док је било који други сложени распоред држао графен као различит и није било интеракције са суседним слојевима. Показали су начин да натерају графен да усвоји суштински квалитет за супер понашање сам по себи. Зашто је ово веома релевантно је зато што је иста група раније синтетизовала графенске суперпроводнике стављајући графен у контакт са другим суправодљивим металима што му омогућава да наследи нека суперпроводна понашања, али није могла да постигне само са графеном. Ово је револуционарни извештај, јер су проводне способности графена познате већ неко време, али то је први пут да је суперпроводљивост графена постигнута без промене или додавања других материјала. Дакле, графен би се могао користити за прављење транзистора. уређај у суправодљивом колу и суперпроводљивост изражена графеном могла би се уградити у молекуларне електронске уређаје са новим функционалностима.
Ово нас враћа на све разговоре о високотемпературним суперпроводницима и иако је овај систем још увек требало да се охлади на 1.7 степени Целзијуса, производња и коришћење графена за велике пројекте сада изгледа оствариво истраживањем његове неконвенционалне суперпроводљивости. За разлику од конвенционалних суперпроводника, активност графена се не може објаснити главном теоријом суправодљивости. Таква неконвенционална активност примећена је у сложеним оксидима бакра званим купрати, за које се зна да проводе електричну енергију на температури до 133 степена Целзијуса, и била је у фокусу истраживања више деценија. Иако, за разлику од ових купрата, наслагани систем графена је прилично једноставан и материјал се такође боље разуме. Тек сада је графен откривен као чист суперпроводник, али материјал сам по себи има многе изванредне способности које су раније биле познате. Овај рад утире пут за јачу улогу графена и развој високотемпературних суперпроводника који су еколошки прихватљиви и више енергија ефикасан и што је најважније функционише на собној температури елиминишући потребу за скупим хлађењем. Ово би могло да револуционише пренос енергије, истраживачке магнете, медицинске уређаје, посебно скенере и заиста би могло да промени начин на који се енергија преноси у нашим домовима и канцеларијама.
***
Извор (и)
1. Иуан Ц ет ал. 2018. Корелирано понашање изолатора при полупуњењу у суперрешеткама графена магичног угла. Природа. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Иуан Ц ет ал. 2018. Неконвенционална суперпроводљивост у суперрешеткама графена магијског угла. Природа. https://doi.org/10.1038/nature26160
***
