Nedavna prelomna študija je pokazala edinstvene lastnosti materiala grafena za dolgoročno možnost končnega razvoja ekonomičnih in praktičnih superprevodnikov.
A superprevodnik je material, ki lahko prevaja (prenaša) elektrika brez odpora. Ta odpornost je opredeljena kot nekaj izgube energija ki se pojavi med procesom. Vsak material torej postane superprevoden, ko je sposoben prevajati elektriko, pri tem določenem 'temperatura' ali stanju, brez sproščanja toplote, zvoka ali katere koli druge oblike energije. Superprevodniki so 100-odstotno učinkoviti, vendar večina materialov zahteva izjemno nizko raven energija stanju, da postanejo superprevodne, kar pomeni, da morajo biti zelo hladne. Večino superprevodnikov je treba ohladiti s tekočim helijem na zelo nizko temperaturo okoli -270 stopinj Celzija. Tako je vsaka superprevodna aplikacija na splošno povezana z nekakšnim aktivnim ali pasivnim kriogenim/nizkotemperaturnim hlajenjem. Ta postopek hlajenja sam po sebi zahteva preveliko količino energije in tekoči helij ni le zelo drag, ampak tudi ni obnovljiv. Zato je večina običajnih ali "nizkotemperaturnih" superprevodnikov neučinkovitih, imajo svoje omejitve, so negospodarni, dragi in nepraktični za uporabo v velikem obsegu.
Visokotemperaturni superprevodniki
Področje superprevodnikov je naredilo velik preskok sredi osemdesetih let prejšnjega stoletja, ko je bila odkrita spojina bakrovega oksida, ki je lahko superprevodna pri -1980 stopinjah Celzija. Ta je še vedno hladna, vendar veliko toplejša od temperature tekočega helija. To je bilo znano kot prvi "visokotemperaturni superprevodnik" (HTC), ki so ga kdaj odkrili in je dobil Nobelovo nagrado, čeprav je "visok" le v večjem relativnem smislu. Zato je znanstvenikom prišlo na misel, da bi se lahko osredotočili na sčasoma iskanje superprevodnikov, ki delujejo, recimo s tekočim dušikom (-238° C), ki imajo plus, da je na voljo v izobilju in je tudi poceni. Visokotemperaturni superprevodniki imajo tudi aplikacije, kjer so potrebna zelo visoka magnetna polja. Njihovi nizkotemperaturni analogi prenehajo delovati pri približno 196 teslah (tesla je enota za jakost magnetnega polja), zato jih ni mogoče uporabiti za izdelavo močnejših magnetov. Toda visokotemperaturni superprevodni materiali lahko delujejo na več kot dvakrat večjem polju in verjetno celo višje. Ker superprevodniki ustvarjajo velika magnetna polja, so bistveni sestavni del skenerjev in lebdečih vlakov. Na primer, MRI danes (magnetna resonanca) je tehnika, ki uporablja to kakovost za ogled in preučevanje materialov, bolezni in kompleksnih molekul v telesu. Druge aplikacije vključujejo shranjevanje električne energije v omrežju z energetsko učinkovitimi daljnovodi (na primer, superprevodni kabli lahko zagotovijo 23-krat več moči kot bakrene žice enake velikosti), vetrne generatorje in tudi superračunalnike. Naprave, ki so sposobne shraniti energijo za milijone let lahko ustvarimo s superprevodniki.
Trenutni visokotemperaturni superprevodniki imajo svoje omejitve in izzive. Poleg tega, da so zelo dragi zaradi potrebe po hladilni napravi, so ti superprevodniki izdelani iz krhkih materialov in jih ni enostavno oblikovati in jih zato ni mogoče uporabiti za izdelavo električnih žic. Material je lahko tudi kemično nestabilen v določenih okoljih in izjemno občutljiv na nečistoče iz atmosfere in vode, zato ga je treba na splošno obdati. Potem obstaja le največji tok, ki ga lahko prenašajo superprevodni materiali in nad kritično gostoto toka se superprevodnost pokvari, kar omejuje tok. Ogromni stroški in nepraktičnost ovirajo uporabo dobrih superprevodnikov, zlasti v državah v razvoju. Inženirji bi si v svoji domišljiji resnično želeli mehak, kovljiv, feromagnetni superprevodnik, ki je neprepusten za nečistoče ali uporabljeni tok in magnetna polja. Preveč bi zahtevali!
Grafen bi lahko bil to!
Osrednje merilo uspešnega superprevodnika je najti visoko temperaturo superprevodnir, idealen scenarij je sobna temperatura. Vendar pa so novejši materiali še vedno omejeni in jih je zelo težko izdelati. Na tem področju se še vedno nenehno uči o natančni metodologiji, ki jo sprejmejo ti visokotemperaturni superprevodniki, in o tem, kako bi znanstveniki lahko prišli do nove zasnove, ki je praktična. Eden od zahtevnih vidikov pri visokotemperaturnih superprevodnikih je, da je zelo slabo razumljeno, kaj resnično pomaga elektronom v materialu, da se združijo. V nedavni študiji je bilo prvič dokazano, da material Graphene ima intrinzično superprevodno kakovost in res lahko izdelamo grafenski superprevodnik v naravnem stanju materiala. Grafen, material, ki temelji izključno na ogljiku, je bil odkrit šele leta 2004 in je najtanjši znani material. Prav tako je lahka in prilagodljiva, saj je vsaka plošča sestavljena iz šesterokotnih atomov ogljika. Videti je, da je močnejši od jekla in izraža veliko boljšo električno prevodnost v primerjavi z bakrom. Tako je to večdimenzionalen material z vsemi temi obetavnimi lastnostmi.
Fiziki na Massachusetts Institute of Technology in Harvard University, ZDA, katerih delo je objavljeno v dveh prispevkih1,2 in Narava, so poročali, da so sposobni uglasiti material grafen tako, da pokaže dve ekstremni električni vedenji – kot izolator, v katerem ne dopušča prehajanja toka, in kot superprevodnik, v katerem omogoča tok brez kakršnega koli upora. Ustvarjena je bila "supermreža" dveh listov grafena, ki sta zložena skupaj, rahlo zasukana pod "čarobnim kotom" 1.1 stopinje. Ta posebna prekrivna razporeditev šesterokotnega satja je bila narejena tako, da bi potencialno povzročila "močno korelirane interakcije" med elektroni v grafenskih ploščah. In to se je zgodilo, ker je grafen lahko prevajal elektriko z ničelno upornostjo pri tem "čarobnem kotu", medtem ko je vsaka druga zložena ureditev držala grafen ločeno in ni bilo interakcije s sosednjimi plastmi. Pokazali so način, kako narediti, da grafen sam prevzame intrinzično kakovost za super vedenje. Zakaj je to zelo pomembno, je zato, ker je ista skupina predhodno sintetizirala grafenske superprevodnike tako, da je grafen postavila v stik z drugimi superprevodnimi kovinami, kar mu je omogočilo, da podeduje nekaj superprevodnih vedenj, vendar ga ni moglo doseči samo z grafenom. To je prelomno poročilo, saj so prevodne sposobnosti grafena znane že nekaj časa, vendar je prvič doslej, da je bila superprevodnost grafena dosežena brez spreminjanja ali dodajanja drugih materialov. Tako bi lahko grafen uporabili za izdelavo tranzistorja podobnega napravo v superprevodnem vezju in superprevodnost, ki jo izraža grafen, bi lahko vključili v molekularne elektronske naprave z novimi funkcionalnostmi.
To nas pripelje nazaj k vsem pogovorom o visokotemperaturnih superprevodnikih in čeprav je bilo treba ta sistem še vedno ohladiti na 1.7 stopinje Celzija, je proizvodnja in uporaba grafena za velike projekte zdaj videti dosegljiva z raziskovanjem njegove nekonvencionalne superprevodnosti. Za razliko od običajnih superprevodnikov aktivnosti grafena ni mogoče razložiti z glavno teorijo superprevodnosti. Tako nekonvencionalno aktivnost so opazili pri kompleksnih bakrovih oksidih, imenovanih kuprati, za katere je znano, da prevajajo elektriko pri temperaturah do 133 stopinj Celzija, in so bili v središču raziskav več desetletij. Čeprav je v nasprotju s temi kuprati sistem zloženega grafena precej preprost, material pa se tudi bolje razume. Šele zdaj so odkrili grafen kot čisti superprevodnik, vendar ima material sam po sebi številne izjemne sposobnosti, ki so znane že prej. To delo utira pot močnejši vlogi grafena in razvoju visokotemperaturnih superprevodnikov, ki so okolju prijazni in še več energija učinkovito in najpomembneje deluje pri sobni temperaturi, kar odpravlja potrebo po dragem hlajenju. To bi lahko revolucioniralo prenos energije, raziskovalne magnete, medicinske naprave, zlasti skenerje, in bi lahko resnično prenovilo, kako se energija prenaša v naših domovih in pisarnah.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
1. Yuan C et al. 2018. Korelirano obnašanje izolatorja pri polovičnem polnjenju v supermrežah grafena magičnega kota. Narava. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Nekonvencionalna superprevodnost v supermrežah grafena magičnega kota. Narava. https://doi.org/10.1038/nature26160
