A közelmúltban végzett úttörő tanulmány kimutatta, hogy a grafén egyedülálló tulajdonságai hosszú távon lehetővé teszik gazdaságos és praktikusan használható szupravezetők kifejlesztését.
A szupravezető olyan anyag, amely képes vezetni (továbbítani) villamos energia ellenállás nélkül. Ezt az ellenállást bizonyos veszteségként határozzák meg energia ami a folyamat során fellép. Tehát minden anyag szupravezetővé válik, ha képes elektromos áramot vezetni, az adott helyen.hőmérséklet' vagy állapot, hő-, hang- vagy egyéb energiakibocsátás nélkül. A szupravezetők 100 százalékban hatékonyak, de a legtöbb anyagnak rendkívül alacsonynak kell lennie energia ahhoz, hogy szupravezetővé váljanak, ami azt jelenti, hogy nagyon hidegnek kell lenniük. A legtöbb szupravezetőt folyékony héliummal kell lehűteni nagyon alacsony hőmérsékletre, körülbelül -270 Celsius fokra. Így minden szupravezető alkalmazás általában valamilyen aktív vagy passzív kriogén/alacsony hőmérsékletű hűtéssel párosul. Ez a hűtési eljárás önmagában túl sok energiát igényel, és a folyékony hélium nemcsak nagyon drága, de nem is megújuló. Ezért a legtöbb hagyományos vagy „alacsony hőmérsékletű” szupravezető nem hatékony, megvannak a korlátai, nem gazdaságosak, drágák és nem praktikus nagyüzemi használatra.
Magas hőmérsékletű szupravezetők
A szupravezetők területe az 1980-as évek közepén nagyot ugrott, amikor egy réz-oxid vegyületet fedeztek fel, amely -238 Celsius fokon is képes szupravezetésre. Ez még mindig hideg, de sokkal melegebb, mint a folyékony hélium hőmérséklete. Ezt az első „magas hőmérsékletű szupravezető” (HTC) néven ismerték, amelyet valaha is felfedeztek, és elnyerte a Nobel-díjat, bár a „magas” csak nagyobb relatív értelemben. Ezért jutott eszébe a tudósoknak, hogy végül arra koncentrálhatnának, hogy olyan szupravezetőket találjanak, amelyek működnek, mondjuk a folyékony nitrogénnel (-196°C), amelynek az a plusz, hogy bőven elérhető és olcsó is. A magas hőmérsékletű szupravezetőknek olyan alkalmazásai is vannak, ahol nagyon nagy mágneses térre van szükség. Alacsony hőmérsékletű társaik 23 tesla körül leállnak (a tesla a mágneses térerősség mértékegysége), így nem használhatók erősebb mágnesek készítésére. De a magas hőmérsékletű szupravezető anyagok több mint kétszeres területen működhetnek, és valószínűleg még magasabban is. Mivel a szupravezetők nagy mágneses tereket hoznak létre, lényeges alkotóelemei a szkennereknek és a lebegtető vonatoknak. Például az MRI ma (mágneses rezonancia képalkotás) egy olyan technika, amely ezt a minőséget használja a testben lévő anyagok, betegségek és összetett molekulák vizsgálatára és tanulmányozására. Egyéb alkalmazások közé tartozik a villamos energia hálózati méretű tárolása energiahatékony távvezetékekkel (például a szupravezető kábelek 10-szer akkora teljesítményt biztosítanak, mint az azonos méretű kádárhuzalok), a szélerőművek és a szuperszámítógépek is. évmilliókig tartó energiát lehet előállítani szupravezetőkkel.
A jelenlegi magas hőmérsékletű szupravezetőknek megvannak a maguk korlátai és kihívásai. Amellett, hogy nagyon drágák, mert hűtőberendezést igényelnek, ezek a szupravezetők törékeny anyagokból készülnek, és nem könnyű formázni őket, ezért nem használhatók elektromos vezetékek készítésére. Az anyag bizonyos környezetben kémiailag instabil lehet, és rendkívül érzékeny a légkörből és a vízből származó szennyeződésekre, ezért általában be kell burkolni. Ekkor már csak egy maximális áram van, amit a szupravezető anyagok hordozhatnak, és egy kritikus áramsűrűség felett a szupravezetés lebomlik, korlátozva az áramot. Hatalmas költségek és gyakorlatiasságok akadályozzák a jó szupravezetők alkalmazását, különösen a fejlődő országokban. A mérnökök képzeletükben valóban egy lágy, alakítható, ferromágneses szupravezetőt szeretnének, amely nem ereszti át a szennyeződéseket, az alkalmazott áramot és mágneses tereket. Túl sokat kell kérni!
A grafén lehet az!
A sikeres szupravezető központi kritériuma a magas hőmérséklet megtalálása szupravezetőr, az ideális forgatókönyv a szobahőmérséklet. Az újabb anyagok azonban továbbra is korlátozottak, és nagyon nehéz előállítani őket. Ezen a területen még mindig folyamatosan tanulnak arról, hogy pontosan milyen módszertant alkalmaznak ezek a magas hőmérsékletű szupravezetők, és hogyan juthatnak el a tudósok egy új, praktikus kialakításhoz. A magas hőmérsékletű szupravezetők egyik kihívást jelentő szempontja, hogy nagyon kevéssé ismert, mi segíti igazán az anyagban lévő elektronok párosítását. Egy nemrégiben készült tanulmányban először mutatták ki, hogy az anyag grafén belső szupravezető tulajdonságokkal rendelkezik, és valóban tudunk grafén szupravezetőt készíteni az anyag saját természetes állapotában. A grafént, egy tisztán szénalapú anyagot csak 2004-ben fedezték fel, és ez a legvékonyabb ismert anyag. Ezenkívül könnyű és rugalmas, minden lap hatszögletűen elrendezett szénatomokból áll. Erősebbnek tűnik, mint az acél, és sokkal jobb elektromos vezetőképességet mutat, mint a réz. Így ez egy többdimenziós anyag ezekkel az ígéretes tulajdonságokkal.
A Massachusetts Institute of Technology és a Harvard Egyetem (USA) fizikusai, akiknek munkáját két közleményben publikálják1,2 in Természet, arról számoltak be, hogy képesek a grafén anyagát két szélsőséges elektromos viselkedésre hangolni – szigetelőként, amelyben nem engedi át az áramot, és mint szupravezetőként, amelyben az áramot ellenállás nélkül engedi át. Két grafénlapból álló „szuperrácsot” hoztak létre, enyhén elforgatva, 1.1 fokos „varázsszögben”. Ezt a különleges átfedő hatszögletű méhsejtmintázat-elrendezést úgy hozták létre, hogy potenciálisan „erősen korrelált kölcsönhatásokat” idézzen elő a grafénlapok elektronjai között. És ez meg is történt, mert a grafén nulla ellenállással képes vezetni az elektromosságot ebben a „varázsszögben”, míg bármely más halmozott elrendezés megkülönböztette a grafént, és nem volt kölcsönhatás a szomszédos rétegekkel. Megmutatták a módját, hogy a grafén belső minőségét átvegye a szuper viselkedésre. Ez azért nagyon fontos, mert ugyanez a csoport korábban grafén szupravezetőket szintetizált úgy, hogy a grafént más szupravezető fémekkel érintkezésbe helyezte, lehetővé téve, hogy örököljön bizonyos szupravezető viselkedéseket, de egyedül grafénnel nem tudta elérni. Ez egy úttörő jelentés, mivel a grafén vezetőképességét egy ideje ismerik, de ez az első eset, hogy a grafén szupravezető képességét úgy érik el, hogy nem változtatták meg, vagy más anyagokat adtak hozzá. Így a grafénből tranzisztor-szerű szerkezetet lehet készíteni. szupravezető áramkörben lévő eszközt, és a grafén által kifejezett szupravezetést be lehetne építeni az újszerű funkciókkal rendelkező molekuláris elektronikai eszközökbe.
Ez visszavezet minket a magas hőmérsékletű szupravezetőkről szóló összes beszélgetéshez, és bár ezt a rendszert még mindig le kellett hűteni 1.7 Celsius-fokra, a grafén előállítása és használata nagy projektekhez most már megvalósíthatónak tűnik, ha megvizsgáljuk a nem szokványos szupravezető képességét. A hagyományos szupravezetőkkel ellentétben a grafén aktivitása nem magyarázható a szupravezetés főáramú elméletével. Ilyen nem szokványos aktivitást észleltek a kuprátok nevű komplex réz-oxidokban, amelyekről ismert, hogy akár 133 Celsius-fokon is vezetik az elektromosságot, és évtizedek óta a kutatások középpontjában állnak. Bár ezekkel a kuprátokkal ellentétben a halmozott grafénrendszer meglehetősen egyszerű, és az anyag is jobban érthető. Csak most fedezték fel a grafént, mint tiszta szupravezetőt, de az anyag önmagában számos kiemelkedő képességgel rendelkezik, amelyek korábban ismertek. Ez a munka utat nyit a grafén erősebb szerepének és a magas hőmérsékletű szupravezetők fejlesztésének, amelyek környezetbarátak energia hatékony és ami a legfontosabb szobahőmérsékleten működik, így nincs szükség drága hűtésre. Ez forradalmasíthatja az energiaátvitelt, a kutatómágneseket, az orvosi eszközöket, különösen a szkennereket, és valóban átalakíthatja az energia átvitelét otthonainkban és irodáinkban.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
1. Yuan C et al. 2018. Korrelált szigetelő viselkedés féltöltéskor varázsszögű grafén szuperrácsokban. Természet. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Nem szokványos szupravezetés varázsszögű grafén szuperrácsokban. Természet. https://doi.org/10.1038/nature26160
