Onlangse baanbrekende studie het die unieke eienskappe van materiaal grafeen getoon vir 'n langtermyn moontlikheid om uiteindelik ekonomiese en prakties-om-te gebruik supergeleiers te ontwikkel.
A supergeleier is 'n materiaal wat kan gelei (send) elektrisiteit sonder weerstand. Hierdie weerstand word gedefinieer as 'n mate van verlies van energie wat tydens die proses plaasvind. Dus, enige materiaal word supergeleidend wanneer dit in staat is om elektrisiteit te gelei, by daardie spesifieke 'temperatuur' of toestand, sonder vrystelling van hitte, klank of enige ander vorm van energie. Supergeleiers is 100 persent doeltreffend, maar die meeste materiale moet uiters laag wees energie toestand om supergeleidend te word, wat beteken dat hulle baie koud moet wees. Die meeste supergeleiers moet met vloeibare helium afgekoel word tot 'n baie lae temperatuur van ongeveer -270 grade Celsius. Dus word enige supergeleidende toepassing gewoonlik gepaard met 'n soort aktiewe of passiewe kriogene/lae temperatuur verkoeling. Hierdie verkoelingsprosedure verg 'n oormatige hoeveelheid energie op sigself en vloeibare helium is nie net baie duur nie, maar ook nie-hernubaar. Daarom is die meeste konvensionele of "lae temperatuur" supergeleiers ondoeltreffend, het hul grense, is onekonomies, duur en onprakties vir grootskaalse gebruik.
Hoë-temperatuur supergeleiers
Die veld van supergeleiers het in die middel van die 1980's 'n groot sprong geneem toe 'n koperoksiedverbinding ontdek is wat by -238 grade Celsius kan supergeleier. Dit is steeds koud, maar baie warmer as vloeibare helium temperature. Dit was bekend as die eerste "hoëtemperatuur supergeleier" (HTC) wat ooit ontdek is, en het die Nobelprys gewen, hoewel dit net in 'n groter relatiewe sin "hoog" is. Daarom het dit by wetenskaplikes opgekom dat hulle daarop kon fokus om uiteindelik supergeleiers te vind wat werk, kom ons sê met vloeibare stikstof (-196 ° C) met die pluspunt dat dit in oorvloed beskikbaar is en ook goedkoop is. Hoë temperatuur supergeleiers het ook toepassings waar baie hoë magnetiese velde vereis word. Hul lae-temp-eweknieë hou op om te werk by ongeveer 23 teslas (tesla is 'n eenheid van magnetiese veldsterkte) sodat hulle nie gebruik kan word om sterker magnete te maak nie. Maar hoë-temperatuur supergeleidende materiale kan meer as twee keer daardie veld werk, en waarskynlik selfs hoër. Aangesien supergeleiers groot magnetiese velde genereer, is hulle 'n noodsaaklike komponent in skandeerders en swewende treine. Byvoorbeeld, die MRI vandag (Magnetic Resonance Imaging) is 'n tegniek wat hierdie kwaliteit gebruik om na materiaal, siektes en komplekse molekules in die liggaam te kyk en te bestudeer. Ander toepassings sluit in roosterskaalberging van elektrisiteit deur energiedoeltreffende kraglyne te hê (byvoorbeeld, supergeleidende kabels kan 10 keer soveel krag verskaf as kuipdrade van dieselfde grootte), windkragopwekkers en ook superrekenaars. Die toestelle wat in staat is om te stoor energie vir miljoene jare kan met supergeleiers geskep word.
Die huidige hoë temperatuur supergeleiers het hul eie beperkings en uitdagings. Behalwe dat dit baie duur is omdat dit 'n verkoelingstoestel benodig, is hierdie supergeleiers gemaak van bros materiale en is nie maklik om te vorm nie en kan dus nie gebruik word om elektriese drade te maak nie. Die materiaal kan ook chemies onstabiel wees in sekere omgewings en uiters sensitief vir onsuiwerhede van atmosfeer en water en dus moet dit algemeen omhul word. Dan is daar net 'n maksimum stroom wat supergeleidende materiale kan dra en bo 'n kritieke stroomdigtheid breek supergeleiding af wat die stroom beperk. Groot koste en onpraktiesheid belemmer die gebruik van goeie supergeleiers veral in ontwikkelende lande. Die ingenieurs, in hul verbeelding, sou regtig 'n sagte, smeebare, ferromagnetiese supergeleier wou hê wat ondeurdringbaar is vir onsuiwerhede of toegepaste stroom en magnetiese velde. Te veel om voor te vra!
Grafeen kan dit wees!
Die sentrale kriterium van 'n suksesvolle supergeleier is om 'n hoë temperatuur te vind supergeleidingr, die ideale scenario is kamertemperatuur. Nuwer materiale is egter steeds beperk en is baie uitdagend om te maak. Daar word steeds deurlopend in hierdie veld geleer oor die presiese metodologie wat hierdie hoë-temperatuur supergeleiers aanneem en hoe wetenskaplikes by 'n nuwe ontwerp kan uitkom wat prakties is. Een van die uitdagende aspekte in hoë-temperatuur supergeleiers is dat dit baie swak verstaan word wat werklik die elektrone in 'n materiaal help om te koppel. In 'n onlangse studie is dit vir die eerste keer getoon dat die materiaal grafeen het intrinsieke supergeleidende kwaliteit en ons kan werklik 'n grafeen supergeleier maak in die materiaal se eie natuurlike toestand. Grafeen, 'n suiwer koolstofgebaseerde materiaal, is eers in 2004 ontdek en is die dunste materiaal wat bekend is. Dit is ook lig en buigsaam met elke vel wat bestaan uit koolstofatome wat seskantig gerangskik is. Dit word gesien as sterker as staal en dit druk baie beter elektriese geleidingsvermoë uit in vergelyking met koper. Dit is dus 'n multidimensionele materiaal met al hierdie belowende eienskappe.
Fisici by Massachusetts Institute of Technology en Harvard Universiteit, VSA, wie se werk in twee referate gepubliseer word1,2 in Aard, het gerapporteer dat hulle in staat is om die materiaal grafeen in te stel om twee uiterste elektriese gedrag te toon – as 'n isolator waarin dit geen stroom deurlaat nie en as 'n supergeleier waarin stroom sonder enige weerstand deurlaat. 'n "superrooster" van twee grafeenvelle is geskep wat saam gestapel is, effens gedraai teen 'n "magiese hoek" van 1.1 grade. Hierdie spesifieke oorliggende seskantige heuningkoekpatroonrangskikking is so gedoen om moontlik "sterk gekorreleerde interaksies" tussen die elektrone in die grafeenvelle te veroorsaak. En dit het wel gebeur omdat grafeen elektrisiteit met geen weerstand by hierdie "magiese hoek" kon gelei nie, terwyl enige ander gestapelde rangskikking grafeen so duidelik gehou het en daar geen interaksie met die naburige lae was nie. Hulle het 'n manier gewys om grafeen 'n intrinsieke kwaliteit tot supergedrag op sy eie te laat aanneem. Hoekom dit hoogs relevant is, is omdat dieselfde groep voorheen grafeen-supergeleiers gesintetiseer het deur grafeen in kontak met ander supergeleidende metale te plaas, wat dit toegelaat het om sekere supergeleidende gedrag te erf, maar nie met grafeen alleen kon bereik nie. Dit is 'n baanbrekende verslag omdat grafeen se geleidingsvermoë al 'n rukkie bekend is, maar dit is die eerste keer ooit dat grafeen se supergeleiding bereik is sonder om ander materiale te verander of daarby te voeg. Grafeen kan dus gebruik word om 'n transistor-agtige te maak. toestel in 'n supergeleidende stroombaan en die supergeleiding wat deur grafeen uitgedruk word, kan in molekulêre elektroniese toestelle met nuwe funksionaliteite geïnkorporeer word.
Dit bring ons terug na al die praatjies oor hoë-temperatuur supergeleiers en hoewel hierdie stelsel nog tot 1.7 grade Celsius afgekoel moes word, lyk die vervaardiging en gebruik van grafeen vir groot projekte nou haalbaar deur die onkonvensionele supergeleiding daarvan te ondersoek. Anders as konvensionele supergeleiers kan grafeen se aktiwiteit nie deur die hoofstroomteorie van supergeleiding verklaar word nie. Sulke onkonvensionele aktiwiteit is gesien in komplekse koperoksiede genaamd cuprates, waarvan bekend is dat dit elektrisiteit teen tot 133 grade Celsius gelei, en is die fokus van navorsing vir verskeie dekades. Alhoewel, anders as hierdie cuprates, is 'n gestapelde grafeenstelsel redelik eenvoudig en word die materiaal ook beter verstaan. Eers nou is grafeen as 'n suiwer supergeleier ontdek, maar die materiaal op sigself het baie uitstaande vermoëns wat voorheen bekend is. Hierdie werk baan weg vir 'n sterker rol van grafeen en ontwikkeling van hoë-temperatuur supergeleiers wat omgewingsvriendelik is en meer energie doeltreffend en bowenal funksioneer by kamertemperatuur, wat die behoefte aan duur verkoeling uitskakel. Dit kan energie-oordrag, navorsingsmagnete, mediese toestelle, veral skandeerders, 'n rewolusie veroorsaak en kan werklik die manier waarop energie in ons huise en kantore oorgedra word, hersien.
***
{Jy kan die oorspronklike navorsingsartikel lees deur die DOI-skakel wat hieronder gegee word in die lys van aangehaalde bronne te klik}
Bronne)
1. Yuan C et al. 2018. Gekorreleerde isolatorgedrag by halfvul in magiese hoek grafeen superroosters. Natuur. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Onkonvensionele supergeleiding in magiese-hoek grafeen superroosters. Natuur. https://doi.org/10.1038/nature26160
