A közelmúltban végzett úttörő tanulmány kimutatta, hogy a grafén egyedülálló tulajdonságai hosszú távon lehetővé teszik gazdaságos és praktikusan használható szupravezetők kifejlesztését.
A szupravezető is a material which can conduct (transmit) villamos energia without resistance. This resistance is defined as some loss of energia which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘hőmérséklet’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low energia state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
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.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more energia efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{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
