Πρόσφατη πρωτοποριακή μελέτη έδειξε τις μοναδικές ιδιότητες του υλικού γραφενίου για μια μακροπρόθεσμη πιθανότητα να αναπτυχθούν τελικά οικονομικοί και πρακτικοί στη χρήση υπεραγωγοί.
A υπεραγωγός είναι ένα υλικό που μπορεί να μεταφέρει (μεταδώσει) ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση. Αυτή η αντίσταση ορίζεται ως κάποια απώλεια ενέργειας που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Έτσι, οποιοδήποτε υλικό γίνεται υπεραγώγιμο όταν είναι σε θέση να άγει ηλεκτρισμό, στη συγκεκριμένη «θερμοκρασία» ή συνθήκη, χωρίς απελευθέρωση θερμότητας, ήχου ή οποιασδήποτε άλλης μορφής ενέργειας. Οι υπεραγωγοί είναι 100 τοις εκατό αποδοτικοί, αλλά τα περισσότερα υλικά πρέπει να βρίσκονται σε κατάσταση εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας για να γίνουν υπεραγώγιμοι, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να είναι πολύ κρύα. Οι περισσότεροι υπεραγωγοί πρέπει να ψύχονται με υγρό ήλιο σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία περίπου -270 βαθμούς Κελσίου. Έτσι, οποιαδήποτε εφαρμογή υπεραγώγιμης είναι γενικά σε συνδυασμό με κάποιο είδος ενεργητικής ή παθητικής κρυογονικής/χαμηλής θερμοκρασίας ψύξης. Αυτή η διαδικασία ψύξης απαιτεί υπερβολική ποσότητα ενέργειας από μόνη της και το υγρό ήλιο δεν είναι μόνο πολύ ακριβό αλλά και μη ανανεώσιμο. Επομένως, οι περισσότεροι συμβατικοί ή «χαμηλών θερμοκρασιών» υπεραγωγοί είναι αναποτελεσματικοί, έχουν τα όριά τους, είναι αντιοικονομικοί, ακριβοί και μη πρακτικοί για χρήση σε μεγάλη κλίμακα.
Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας
Το πεδίο των υπεραγωγών έκανε ένα μεγάλο άλμα στα μέσα της δεκαετίας του 1980, όταν ανακαλύφθηκε μια ένωση οξειδίου του χαλκού που μπορούσε να υπεραγωγεί στους -238 βαθμούς Κελσίου. Αυτό είναι ακόμα κρύο, αλλά πολύ πιο ζεστό από τις θερμοκρασίες υγρού ηλίου. Αυτός ήταν γνωστός ως ο πρώτος «υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας» (HTC) που ανακαλύφθηκε ποτέ, κερδίζοντας το βραβείο Νόμπελ, αν και είναι «υψηλό» μόνο σε μια ευρύτερη σχετική έννοια. Επομένως, σκέφτηκαν οι επιστήμονες ότι θα μπορούσαν να επικεντρωθούν στο να βρουν τελικά υπεραγωγούς που λειτουργούν, ας πούμε με υγρό άζωτο (-196° C) έχοντας το συν ότι είναι διαθέσιμο σε αφθονία και είναι επίσης φθηνό. Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας έχουν επίσης εφαρμογές όπου απαιτούνται πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία. Τα αντίστοιχά τους σε χαμηλή θερμοκρασία σταματούν να λειτουργούν σε περίπου 23 tesla (το Tesla είναι μια μονάδα ισχύος μαγνητικού πεδίου), επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ισχυρότερων μαγνητών. Αλλά τα υπεραγώγιμα υλικά υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να λειτουργήσουν σε περισσότερο από το διπλάσιο του πεδίου, και πιθανότατα ακόμη υψηλότερα. Δεδομένου ότι οι υπεραγωγοί δημιουργούν μεγάλα μαγνητικά πεδία, αποτελούν ουσιαστικό συστατικό σε σαρωτές και αιωρούμενα τρένα. Για παράδειγμα, η μαγνητική τομογραφία σήμερα (μαγνητική τομογραφία) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί αυτή την ποιότητα για να εξετάσει και να μελετήσει υλικά, ασθένειες και πολύπλοκα μόρια στο σώμα. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε κλίμακα δικτύου με ενεργειακά αποδοτικά καλώδια ρεύματος (για παράδειγμα, τα υπεραγώγιμα καλώδια μπορούν να παρέχουν 10 φορές περισσότερη ισχύ από τα χάλκινα καλώδια ίδιου μεγέθους), γεννήτριες αιολικής ενέργειας και επίσης υπερυπολογιστές. Οι συσκευές που είναι ικανές να αποθηκεύουν ενέργεια για εκατομμύρια χρόνια μπορεί να δημιουργηθεί με υπεραγωγούς.
Οι σημερινοί υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας έχουν τους δικούς τους περιορισμούς και προκλήσεις. Πέρα από το ότι είναι πολύ ακριβοί επειδή απαιτούν συσκευή ψύξης, αυτοί οι υπεραγωγοί είναι κατασκευασμένοι από εύθραυστα υλικά και δεν διαμορφώνονται εύκολα και επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλεκτρικών καλωδίων. Το υλικό μπορεί επίσης να είναι χημικά ασταθές σε ορισμένα περιβάλλοντα και εξαιρετικά ευαίσθητο στις ακαθαρσίες από την ατμόσφαιρα και το νερό και επομένως πρέπει γενικά να εγκλείεται. Τότε υπάρχει μόνο ένα μέγιστο ρεύμα που μπορούν να μεταφέρουν τα υπεραγώγιμα υλικά και πάνω από μια κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος, η υπεραγωγιμότητα διασπάται περιορίζοντας το ρεύμα. Το τεράστιο κόστος και οι πρακτικές δυσκολίες εμποδίζουν τη χρήση καλών υπεραγωγών ειδικά στις αναπτυσσόμενες χώρες. Οι μηχανικοί, στη φαντασία τους, θα ήθελαν πραγματικά έναν μαλακό, εύπλαστο, σιδηρομαγνητικό υπεραγωγό που να είναι αδιαπέραστος από ακαθαρσίες ή εφαρμοσμένο ρεύμα και μαγνητικά πεδία. Πάρα πολλά για να ζητήσω!
Θα μπορούσε να είναι γραφένιο!
Το κεντρικό κριτήριο ενός επιτυχημένου υπεραγωγού είναι να βρει υψηλή θερμοκρασία υπεραγωγόςr, το ιδανικό σενάριο είναι η θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, τα νεότερα υλικά εξακολουθούν να είναι περιορισμένα και είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστούν. Υπάρχει ακόμη συνεχής μάθηση σε αυτόν τον τομέα σχετικά με την ακριβή μεθοδολογία που υιοθετούν αυτοί οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας και πώς οι επιστήμονες θα μπορούσαν να καταλήξουν σε ένα νέο σχέδιο που είναι πρακτικό. Μια από τις προκλητικές πτυχές στους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας είναι ότι δεν είναι πολύ καλά κατανοητό τι βοηθά πραγματικά τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό να ζευγαρώσουν. Σε πρόσφατη μελέτη αποδείχθηκε για πρώτη φορά ότι το υλικό graφένιο έχει εγγενή υπεραγώγιμη ποιότητα και μπορούμε πραγματικά να φτιάξουμε έναν υπεραγωγό γραφενίου στη φυσική κατάσταση του ίδιου του υλικού. Το γραφένιο, ένα υλικό καθαρά με βάση τον άνθρακα, ανακαλύφθηκε μόλις το 2004 και είναι το λεπτότερο υλικό που είναι γνωστό. Είναι επίσης ελαφρύ και εύκαμπτο με κάθε φύλλο να αποτελείται από άτομα άνθρακα διατεταγμένα εξαγωνικά. Φαίνεται ότι είναι ισχυρότερο από τον χάλυβα και εκφράζει πολύ καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα σε σύγκριση με τον χαλκό. Έτσι, είναι ένα πολυδιάστατο υλικό με όλες αυτές τις πολλά υποσχόμενες ιδιότητες.
Φυσικοί στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ των ΗΠΑ, η εργασία των οποίων δημοσιεύεται σε δύο εργασίες1,2 in Φύση, ανέφεραν ότι είναι σε θέση να συντονίσουν το υλικό γραφένιο για να δείξει δύο ακραίες ηλεκτρικές συμπεριφορές – ως μονωτής στον οποίο δεν επιτρέπει να περάσει ρεύμα και ως υπεραγωγός στον οποίο επιτρέπει στο ρεύμα να περνάει χωρίς αντίσταση. Ένα «υπερπλέγμα» δύο φύλλων γραφενίου δημιουργήθηκε στοιβαγμένα μεταξύ τους και περιστράφηκαν ελαφρά σε μια «μαγική γωνία» 1.1 μοιρών. Αυτή η συγκεκριμένη διάταξη επικάλυψης εξαγωνικού μοτίβου κηρήθρας έγινε έτσι ώστε να προκληθούν δυνητικά «ισχυρά συσχετισμένες αλληλεπιδράσεις» μεταξύ των ηλεκτρονίων στα φύλλα γραφενίου. Και αυτό συνέβη επειδή το γραφένιο μπορούσε να μεταφέρει ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση σε αυτή τη «μαγική γωνία», ενώ οποιαδήποτε άλλη στοιβαγμένη διάταξη διατηρούσε το γραφένιο ως διακριτό και δεν υπήρχε αλληλεπίδραση με τα γειτονικά στρώματα. Έδειξαν έναν τρόπο να κάνουν το γραφένιο να υιοθετήσει μια εγγενή ποιότητα στη σούπερ συμπεριφορά από μόνο του. Γιατί αυτό είναι πολύ σχετικό οφείλεται στο ότι η ίδια ομάδα είχε συνθέσει στο παρελθόν υπεραγωγούς γραφενίου τοποθετώντας το γραφένιο σε επαφή με άλλα υπεραγώγιμα μέταλλα επιτρέποντάς του να κληρονομήσει κάποιες υπεραγώγιμες συμπεριφορές, αλλά δεν μπορούσε να επιτύχει μόνο με το γραφένιο. Αυτή είναι μια πρωτοποριακή αναφορά, επειδή οι αγώγιμες ικανότητες του γραφενίου είναι γνωστές εδώ και καιρό, αλλά είναι η πρώτη φορά που η υπεραγωγιμότητα του γραφενίου έχει επιτευχθεί χωρίς αλλαγή ή προσθήκη άλλων υλικών σε αυτό. Έτσι, το γραφένιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός τρανζίστορ συσκευή σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα και η υπεραγωγιμότητα που εκφράζεται από το γραφένιο θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε μοριακές ηλεκτρονικές συσκευές με νέες λειτουργίες.
Αυτό μας φέρνει πίσω σε όλη τη συζήτηση για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας και παρόλο που αυτό το σύστημα χρειαζόταν ακόμα να ψύχεται στους 1.7 βαθμούς Κελσίου, η παραγωγή και η χρήση γραφενίου για μεγάλα έργα φαίνεται εφικτό τώρα με τη διερεύνηση της μη συμβατικής υπεραγωγιμότητας του. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπεραγωγούς, η δραστηριότητα του γραφενίου δεν μπορεί να εξηγηθεί από την κυρίαρχη θεωρία της υπεραγωγιμότητας. Τέτοια ασυνήθιστη δραστηριότητα έχει παρατηρηθεί σε πολύπλοκα οξείδια του χαλκού που ονομάζονται χαλκικά, που είναι γνωστό ότι φέρουν ηλεκτρισμό σε θερμοκρασία έως και 133 βαθμούς Κελσίου και ήταν το επίκεντρο της έρευνας για πολλές δεκαετίες. Αν και, σε αντίθεση με αυτά τα cuprates, ένα σύστημα στοιβαγμένου γραφενίου είναι αρκετά απλό και το υλικό είναι επίσης καλύτερα κατανοητό. Μόλις τώρα ανακαλύφθηκε το γραφένιο ως καθαρός υπεραγωγός, αλλά το υλικό από μόνο του έχει πολλές εξαιρετικές ικανότητες που ήταν γνωστές προηγουμένως. Αυτή η εργασία ανοίγει τον δρόμο για έναν ισχυρότερο ρόλο του γραφενίου και την ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας που είναι φιλικοί προς το περιβάλλον και πιο ενεργειακά αποδοτικοί και το πιο σημαντικό λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου εξαλείφοντας την ανάγκη για ακριβή ψύξη. Αυτό θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στη μετάδοση ενέργειας, τους μαγνήτες έρευνας, τις ιατρικές συσκευές ειδικά τους σαρωτές και θα μπορούσε πραγματικά να επισκευάσει τον τρόπο μετάδοσης της ενέργειας στα σπίτια και τα γραφεία μας.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
1. Yuan C et al. 2018. Συσχετισμένη συμπεριφορά μονωτή κατά τη μισή πλήρωση σε υπερδικτυώματα γραφενίου με μαγική γωνία. Φύση. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Μη συμβατική υπεραγωγιμότητα σε υπερπλέγματα γραφενίου με μαγική γωνία. Φύση. https://doi.org/10.1038/nature26160
