Äskettäinen uraauurtava tutkimus on osoittanut materiaalin grafeenin ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka mahdollistavat pitkän aikavälin mahdollisuuden kehittää taloudellisia ja käytännöllisiä suprajohtimia.
A suprajohde on materiaali, joka voi johtaa (välittää) sähkö ilman vastustusta. Tämä vastus määritellään jonkinasteiseksi tappioksi energia joka tapahtuu prosessin aikana. Joten mistä tahansa materiaalista tulee suprajohtava, kun se pystyy johtamaan sähköä kyseisellälämpötila' tai tilassa ilman lämmön, äänen tai muun energian vapautumista. Suprajohteet ovat 100 prosenttia tehokkaita, mutta useimmat materiaalit vaativat äärimmäisen alhaisen tason energia tullakseen suprajohtaviksi, mikä tarkoittaa, että niiden on oltava hyvin kylmiä. Useimmat suprajohteet on jäähdytettävä nestemäisellä heliumilla erittäin alhaiseen lämpötilaan, noin -270 celsiusasteeseen. Siten mikä tahansa suprajohtava sovellus yhdistetään yleensä jonkinlaiseen aktiiviseen tai passiiviseen kryogeeniseen/matalalämpötilajäähdytykseen. Tämä jäähdytysprosessi vaatii itsessään liikaa energiaa ja nestemäinen helium ei ole vain erittäin kallista, vaan myös uusiutumaton. Siksi useimmat tavanomaiset tai "matalalämpötilaiset" suprajohteet ovat tehottomia, niillä on rajansa, ne ovat epätaloudellisia, kalliita ja epäkäytännöllisiä suuren mittakaavan käyttöön.
Korkean lämpötilan suprajohteet
Suprajohteiden ala otti suuren harppauksen 1980-luvun puolivälissä, kun löydettiin kuparioksidiyhdiste, joka pystyi suprajohtamaan -238 celsiusasteessa. Tämä on edelleen kylmää, mutta paljon lämpimämpää kuin nestemäisen heliumin lämpötila. Tämä tunnettiin ensimmäisenä koskaan löydettynä "korkean lämpötilan suprajohteena" (HTC), joka voitti Nobel-palkinnon, vaikka sen "korkea" vain laajemmassa suhteellisessa merkityksessä. Siksi tutkijoille tuli mieleen, että he voisivat keskittyä lopulta sellaisten suprajohteiden löytämiseen, jotka toimivat esimerkiksi nestemäisellä typellä (-196 °C), jonka plussa on, että sitä on saatavilla runsaasti ja se on myös halpa. Korkean lämpötilan suprajohtimilla on myös sovelluksia, joissa vaaditaan erittäin korkeita magneettikenttiä. Niiden matalalämpöiset vastineet lakkaavat toimimasta noin 23 teslassa (tesla on magneettikentän voimakkuuden yksikkö), joten niitä ei voida käyttää vahvempien magneettien valmistamiseen. Mutta korkean lämpötilan suprajohtavat materiaalit voivat toimia yli kaksinkertaisella kentällä ja todennäköisesti jopa korkeammalla. Koska suprajohteet synnyttävät suuria magneettikenttiä, ne ovat olennainen komponentti skannereissa ja levitaatiojunissa. Esimerkiksi magneettikuvaus (Magnetic Resonance Imaging) on nykyään tekniikka, joka käyttää tätä laatua materiaalien, sairauksien ja monimutkaisten molekyylien tutkimiseen ja tutkimiseen kehossa. Muita sovelluksia ovat sähkön verkkomittakaavainen varastointi energiatehokkailla voimalinjoilla (esim. suprajohtavilla kaapeleilla voidaan tuottaa 10 kertaa enemmän tehoa kuin samankokoisilla kuparilangoilla), tuulivoimageneraattoreita ja myös supertietokoneita. suprajohtimilla voidaan luoda energiaa miljooniksi vuosiksi.
Nykyisillä korkean lämpötilan suprajohtimilla on omat rajoituksensa ja haasteensa. Sen lisäksi, että nämä suprajohteet ovat erittäin kalliita jäähdytyslaitteen vaatimisen vuoksi, ne on valmistettu hauraista materiaaleista, eikä niitä ole helppo muotoilla, joten niitä ei voida käyttää sähköjohtojen valmistukseen. Materiaali voi myös olla kemiallisesti epästabiilia tietyissä ympäristöissä ja erittäin herkkä ilmakehän ja veden epäpuhtauksille, joten se on yleensä koteloitava. Silloin on vain maksimivirta, jonka suprajohtavat materiaalit voivat kantaa, ja kriittisen virrantiheyden yläpuolella suprajohtavuus hajoaa rajoittaen virtaa. Valtavat kustannukset ja epäkäytännöllisyydet haittaavat hyvien suprajohteiden käyttöä erityisesti kehitysmaissa. Insinöörit haluaisivat mielikuvituksessaan todella pehmeän, muokattavan, ferromagneettisen suprajohteen, joka ei läpäise epäpuhtauksia tai käytettyjä virtoja ja magneettikenttiä. Liikaa pyydettävää!
Grafeeni voi olla se!
Menestyneen suprajohteen keskeinen kriteeri on korkean lämpötilan löytäminen suprajohder, ihanteellinen skenaario on huoneenlämpötila. Uudempia materiaaleja on kuitenkin edelleen rajoitetusti ja niiden valmistaminen on erittäin haastavaa. Tällä alalla opitaan edelleen jatkuvasti tarkasta metodologiasta, jota nämä korkean lämpötilan suprajohteet omaksuvat ja kuinka tiedemiehet voisivat päästä uuteen käytännölliseen suunnitteluun. Yksi haastavista näkökohdista korkean lämpötilan suprajohtimissa on se, että on erittäin huonosti ymmärretty, mikä todella auttaa materiaalissa olevia elektroneja pariutumaan. Tuoreessa tutkimuksessa on ensimmäistä kertaa osoitettu, että materiaali grafeeni on luontainen suprajohtava laatu ja voimme todella tehdä grafeenisuprajohteen materiaalin omassa luonnollisessa tilassa. Grafeeni, puhtaasti hiilipohjainen materiaali, löydettiin vasta vuonna 2004 ja on ohuin tunnettu materiaali. Se on myös kevyt ja joustava, kun jokainen levy koostuu kuusikulmaisesti järjestetyistä hiiliatomeista. Sen nähdään olevan terästä vahvempi ja se ilmaisee paljon parempaa sähkönjohtavuutta kuin kupari. Se on siis moniulotteinen materiaali, jolla on kaikki nämä lupaavat ominaisuudet.
Massachusetts Institute of Technologyn ja Harvardin yliopiston fyysikot Yhdysvalloissa, joiden työt on julkaistu kahdessa artikkelissa1,2 in luonto, ovat raportoineet pystyvänsä virittämään materiaalin grafeenia osoittamaan kahta äärimmäistä sähköistä käyttäytymistä – eristimenä, jossa se ei päästä virtaa kulkemaan, ja suprajohteena, jossa se päästää virran kulkemaan ilman vastusta. Kahden grafeenilevyn "superhila" luotiin pinottuna yhteen kierrettynä hieman 1.1 asteen "maagisessa kulmassa". Tämä erityinen päällekkäinen kuusikulmainen hunajakennorakenne tehtiin siten, että se mahdollisesti indusoi "vahvasti korreloituvia vuorovaikutuksia" grafeenilevyjen elektronien välillä. Ja tämä tapahtui, koska grafeeni pystyi johtamaan sähköä ilman vastusta tässä "maagisessa kulmassa", kun taas mikä tahansa muu pinottu järjestely piti grafeenin erottuvana eikä vuorovaikutusta viereisten kerrosten kanssa ollut. He osoittivat tavan saada grafeeni omaksumaan luontainen laatu superkäyttäytymiseen. Miksi tämä on erittäin olennaista, johtuu siitä, että sama ryhmä oli aiemmin syntetisoinut grafeenisuprajohteita asettamalla grafeenin kosketukseen muiden suprajohtavien metallien kanssa, mikä mahdollisti sen perimän osan suprajohtavista käyttäytymismalleista, mutta ei voinut saavuttaa pelkällä grafeenilla. Tämä on uraauurtava raportti, koska grafeenin johtavuus on ollut tiedossa jo jonkin aikaa, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun grafeenin suprajohtavuus on saavutettu muuttamatta tai lisäämättä siihen muita materiaaleja. Siten grafeenia voitaisiin käyttää transistorin kaltaisen rakenteen valmistamiseen. laite suprajohtavassa piirissä ja grafeenin ilmaisema suprajohtavuus voitaisiin sisällyttää molekyylielektroniikkalaitteisiin, joissa on uusia toimintoja.
Tämä tuo meidät takaisin kaikkeen keskusteluun korkean lämpötilan suprajohteista ja vaikka tämä järjestelmä piti vielä jäähdyttää 1.7 celsiusasteeseen, grafeenin valmistaminen ja käyttö suuriin projekteihin näyttää nyt saavutettavissa olevan tutkimalla sen epätavallista suprajohtavuutta. Toisin kuin perinteiset suprajohteet, grafeenin aktiivisuutta ei voida selittää valtavirran suprajohtavuusteorialla. Tällaista epätavallista aktiivisuutta on havaittu monimutkaisissa kuparioksideissa, joita kutsutaan kupraateiksi, joiden tiedetään johtavan sähköä jopa 133 celsiusasteessa, ja se on ollut tutkimuksen kohteena useiden vuosikymmenten ajan. Tosin, toisin kuin nämä kupraatit, pinottu grafeenijärjestelmä on melko yksinkertainen ja myös materiaali ymmärretään paremmin. Vasta nyt grafeeni on löydetty puhtaana suprajohteena, mutta materiaalilla itsessään on monia erinomaisia ominaisuuksia, jotka ovat aiemmin tunnettuja. Tämä työ tasoittaa tietä grafeenin vahvemmalle roolille ja korkean lämpötilan suprajohteiden kehittämiselle, jotka ovat ympäristöystävällisiä ja enemmän energia tehokas ja mikä tärkeintä toimii huoneenlämmössä, mikä eliminoi kalliin jäähdytyksen tarpeen. Tämä voisi mullistaa energiansiirron, tutkimusmagneetit, lääketieteelliset laitteet, erityisesti skannerit, ja voisi todella uudistaa energian siirron kodeissamme ja toimistoissamme.
***
{Voit lukea alkuperäisen tutkimuspaperin napsauttamalla alla olevaa DOI-linkkiä lainattujen lähteiden luettelossa}
Lähteet)
1. Yuan C et ai. 2018. Korreloi eristimen käyttäytyminen puolitäytössä maagisen kulman grafeenisuperhiloissa. Luonto. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et ai. 2018. Epätavallinen suprajohtavuus maagisen kulman grafeenisuperhiloissa. Luonto. https://doi.org/10.1038/nature26160
