Нядаўняе наватарскае даследаванне паказала унікальныя ўласцівасці матэрыялу графену для доўгатэрміновай магчымасці распрацоўкі нарэшце эканамічных і практычных звышправаднікоў.
A звышправаднік гэта матэрыял, які можа праводзіць (перадаваць) электрычнасць без супраціву. Гэты супраціў вызначаецца як некаторая страта энергія які адбываецца падчас працэсу. Такім чынам, любы матэрыял становіцца звышправодным, калі ён здольны праводзіць электрычнасць, пры гэтым канкрэтна 'тэмпература' або стан, без выдзялення цяпла, гуку або любой іншай формы энергіі. Звышправаднікі маюць 100-адсоткавую эфектыўнасць, але большасць матэрыялаў патрабуе вельмі нізкага ўзроўню энергія стану, каб стаць звышправоднымі, што азначае, што яны павінны быць вельмі халоднымі. Большасць звышправаднікоў трэба астуджаць вадкім геліем да вельмі нізкай тэмпературы каля -270 градусаў Цэльсія. Такім чынам, любое прымяненне звышправоднасці звычайна спалучаецца з нейкім актыўным або пасіўным крыягенным/нізкотэмпературным астуджэннем. Сама па сабе гэтая працэдура астуджэння патрабуе празмернай колькасці энергіі, а вадкі гелій не толькі вельмі дарагі, але і не аднаўляецца. Такім чынам, большасць звычайных або «нізкотэмпературных» звышправаднікоў неэфектыўныя, маюць свае межы, неэканамічныя, дарагія і непрактычныя для шырокамаштабнага выкарыстання.
Высокотэмпературныя звышправаднікі
Сфера звышправаднікоў зрабіла вялікі скачок у сярэдзіне 1980-х гадоў, калі было выяўлена злучэнне аксіду медзі, якое магло звышправодзiць пры -238 градусаў Цэльсія. Гэта ўсё яшчэ холадна, але значна цяплей, чым тэмпература вадкага гелію. Гэта было вядома як першы калі-небудзь адкрыты «высокатэмпературны звышправаднік» (HTC), які атрымаў Нобелеўскую прэмію, хоць гэта «высокая» толькі ў большым адносным сэнсе. Такім чынам, навукоўцам прыйшло ў галаву, што яны маглі б засяродзіцца на пошуку звышправаднікоў, якія працуюць, скажам, з вадкім азотам (-196°C), з тым плюсам, што ён даступны ў вялікай колькасці і таксама танны. Высокатэмпературныя звышправаднікі таксама маюць прымяненне, дзе патрабуюцца вельмі высокія магнітныя палі. Іх нізкатэмпературныя аналагі перастаюць працаваць на ўзроўні каля 23 тэсла (тэсла - гэта адзінка напружанасці магнітнага поля), таму іх нельга выкарыстоўваць для стварэння больш моцных магнітаў. Але высокатэмпературныя звышправодныя матэрыялы могуць працаваць больш чым у два разы больш, і, верагодна, нават вышэй. Паколькі звышправаднікі ствараюць вялікія магнітныя палі, яны з'яўляюцца важным кампанентам у сканерах і левітуючых цягніках. Напрыклад, сучасная МРТ (магнітна-рэзанансная тамаграфія) - гэта методыка, якая выкарыстоўвае гэтую якасць для прагляду і вывучэння матэрыялаў, захворванняў і складаных малекул у арганізме. Іншыя прымяненні ўключаюць назапашванне электраэнергіі ў маштабе сеткі з дапамогай энергаэфектыўных ліній электраперадачы (напрыклад, звышправодныя кабелі могуць забяспечыць у 10 разоў больш энергіі, чым медныя правады таго ж памеру), ветравыя электрагенератары, а таксама суперкампутары. Прылады, якія здольныя захоўваць энергію на мільёны гадоў можна ствараць з дапамогай звышправаднікоў.
Сучасныя высокатэмпературныя звышправаднікі маюць свае абмежаванні і праблемы. Акрамя таго, што яны вельмі дарагія з-за неабходнасці астуджальнай прылады, гэтыя звышправаднікі зроблены з далікатных матэрыялаў і іх няпроста фармаваць і, такім чынам, нельга выкарыстоўваць для вырабу электрычных правадоў. Матэрыял таксама можа быць хімічна нестабільным у пэўных асяроддзях і надзвычай адчувальным да прымешак з атмасферы і вады, і таму ён павінен быць звычайна закрыты. Тады існуе толькі максімальны ток, які могуць несці звышправодныя матэрыялы, і вышэй за крытычную шчыльнасць току, звышправоднасць парушаецца, абмяжоўваючы ток. Вялізныя выдаткі і непрактычнасць перашкаджаюць выкарыстанню добрых звышправаднікоў, асабліва ў краінах, якія развіваюцца. Інжынеры, у іх уяўленні, сапраўды хацелі б мяккі, падатлівы, ферамагнітны звышправаднік, неўспрымальны для прымешак або прыкладзенага току і магнітных палёў. Занадта шмат прасіць!
Графен можа быць гэта!
Галоўным крытэрыем паспяховага звышправадніка з'яўляецца знаходжанне высокай тэмпературы звышправаднікг, ідэальны сцэнар - пакаёвая тэмпература. Аднак новыя матэрыялы па-ранейшаму абмежаваныя і іх вельмі складана зрабіць. У гэтай галіне ўсё яшчэ вядзецца бесперапыннае вывучэнне дакладнай метадалогіі, якую прымаюць гэтыя высокатэмпературныя звышправаднікі, і таго, як навукоўцы могуць прыйсці да новага практычнага дызайну. Адным са складаных аспектаў высокатэмпературных звышправаднікоў з'яўляецца тое, што вельмі дрэнна зразумела, што сапраўды дапамагае электронам у матэрыяле злучацца ў пары. У нядаўнім даследаванні было ўпершыню паказана, што матэрыял графен мае ўласцівае звышправоднае якасць, і мы сапраўды можам зрабіць графенавы звышправаднік у натуральным стане матэрыялу. Графен, матэрыял на аснове выключна вугляроду, быў адкрыты толькі ў 2004 годзе і з'яўляецца самым тонкім матэрыялам з вядомых. Ён таксама лёгкі і гнуткі, кожны ліст складаецца з атамаў вугляроду, размешчаных шасцікутна. Відаць, што ён мацней, чым сталь, і выяўляе значна лепшую электраправоднасць у параўнанні з меддзю. Такім чынам, гэта шматмерны матэрыял з усімі гэтымі перспектыўнымі ўласцівасцямі.
Фізікі з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута і Гарвардскага ўніверсітэта, ЗША, праца якіх апублікавана ў двух артыкулах1,2 in Прырода, паведамілі, што яны здольныя наладзіць матэрыял, графен, каб паказаць два экстрэмальных электрычныя паводзіны - як ізалятар, у якім ён не прапускае ніякага току, і як звышправаднік, у якім ён дазваляе току праходзіць без якога-небудзь супраціву. Была створана «суперрашотка» з двух лістоў графена, злёгку павернутых пад «чароўным вуглом» у 1.1 градуса. Гэта канкрэтнае накладанне шасцікутнай сотавай структуры было зроблена так, каб патэнцыйна выклікаць «моцна карэлюе ўзаемадзеянне» паміж электронамі ў лістах графена. І гэта адбылося таму, што графен мог праводзіць электрычнасць з нулявым супраціўленнем пад гэтым «магічным вуглом», у той час як любое іншае кладка трымала графен як адрознае, і не было ўзаемадзеяння з суседнімі пластамі. Яны паказалі спосаб прымусіць графен прыняць унутраную якасць суперпаводзін сама па сабе. Чаму гэта вельмі важна, таму што тая ж група раней сінтэзавала графенавыя звышправаднікі, змясціўшы графен у кантакт з іншымі звышправоднымі металамі, што дазволіла яму атрымаць у спадчыну некаторыя звышправодныя паводзіны, але не змагла дасягнуць толькі з дапамогай графена. Гэта наватарскі даклад, таму што праводныя здольнасці графена былі вядомыя даўно, але гэта першы раз, калі звышправоднасць графена была дасягнута без змены або дадання ў яго іншых матэрыялаў. Такім чынам, графен можа быць выкарыстаны для стварэння падобных на транзістар прылада ў звышправоднай ланцугу і звышправоднасць, якую выражае графен, могуць быць уключаны ў малекулярную электроніку з новымі функцыямі.
Гэта вяртае нас да ўсіх размоваў аб высокатэмпературных звышправадніках, і хоць гэтую сістэму яшчэ трэба было астудзіць да 1.7 градуса па Цэльсіі, вытворчасць і выкарыстанне графена для буйных праектаў цяпер выглядае дасягальным, даследуючы яго нетрадыцыйную звышправоднасць. У адрозненне ад звычайных звышправаднікоў, актыўнасць графена не можа быць растлумачана асноўнай тэорыяй звышправоднасці. Такая нетрадыцыйная актыўнасць была заўважана ў складаных аксідах медзі, званых купратамі, якія, як вядома, праводзяць электрычнасць пры тэмпературы да 133 градусаў Цэльсія, і былі ў цэнтры ўвагі даследаванняў на працягу многіх дзесяцігоддзяў. Хаця, у адрозненне ад гэтых купратаў, шматслойная сістэма графена даволі простая, і матэрыял таксама зразумелы лепш. Толькі цяпер графен быў знойдзены як чысты звышправаднік, але сам матэрыял валодае мноствам выдатных здольнасцей, якія былі вядомыя раней. Гэтая праца адкрывае шлях да ўзмацнення ролі графена і распрацоўкі высокатэмпературных звышправаднікоў, экалагічна чыстых і не толькі энергія эфектыўны і, самае галоўнае, функцыянуе пры пакаёвай тэмпературы, пазбаўляючы ад неабходнасці дарагога астуджэння. Гэта магло б зрабіць рэвалюцыю ў перадачы энергіі, даследаванні магнітаў, медыцынскіх прыбораў, асабліва сканераў, і магло б цалкам змяніць спосаб перадачы энергіі ў нашых дамах і офісах.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
1. Юань С і інш. 2018. Карэляваныя паводзіны ізалятара пры паўзапаўненні ў звышрашотках графена з магічным вуглом. Прырода. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Юань С і інш. 2018. Нетрадыцыйная звышправоднасць у звышрашотках графена з магічным вуглом. Прырода. https://doi.org/10.1038/nature26160
