Nýleg byltingarkennd rannsókn hefur sýnt fram á einstaka eiginleika grafens efnis fyrir langtíma möguleika á að þróa loksins hagkvæma og hagnýta ofurleiðara.
A ofurleiðari er efni sem getur leitt (send) rafmagn án mótstöðu. Þessi viðnám er skilgreind sem eitthvað tap á orka sem á sér stað meðan á ferlinu stendur. Svo, hvaða efni sem er verður ofurleiðandi þegar það er fær um að leiða rafmagn, við það tiltekna 'hitastig' eða ástandi, án þess að hita, hljóð eða annars konar orku losni. Ofurleiðarar eru 100 prósent skilvirkir en flest efni þurfa að vera í mjög lágu lágmarki orka ástand til að verða ofurleiðandi, sem þýðir að þeir þurfa að vera mjög kaldir. Flesta ofurleiðara þarf að kæla með fljótandi helíum í mjög lágan hita, um -270 gráður á Celsíus. Þannig er hvers kyns ofurleiðandi notkun almennt tengd einhvers konar virkri eða óvirkri kryógenískri/lághitakælingu. Þessi kæliaðferð krefst óhóflegrar orku í sjálfu sér og fljótandi helíum er ekki aðeins mjög dýrt heldur einnig óendurnýjanlegt. Þess vegna eru flestir hefðbundnir eða „lágt hitastig“ ofurleiðarar óhagkvæmir, hafa sín takmörk, eru óhagkvæmir, dýrir og óhagkvæmir til notkunar í stórum stíl.
Háhita ofurleiðarar
Svið ofurleiðara tók stórt stökk um miðjan níunda áratuginn þegar koparoxíð efnasamband fannst sem gat ofurleiða við -1980 gráður á Celsíus. Þetta er enn kalt, en mun hlýrra en hitastig í fljótandi helíum. Þetta var þekkt sem fyrsti „háhita ofurleiðarinn“ (HTC) sem uppgötvaðist og hlaut Nóbelsverðlaunin, þó að hann væri „hár“ aðeins í meiri hlutfallslegum skilningi. Þess vegna datt vísindamönnum í hug að þeir gætu einbeitt sér að því að finna ofurleiðara sem virka, við skulum segja með fljótandi köfnunarefni (-238°C) sem hefur þann plús að það er til í miklu magni og er líka ódýrt. Háhita ofurleiðarar hafa einnig notkun þar sem mjög hátt segulsvið er krafist. Lághita hliðstæður þeirra hætta að virka við um 196 tesla (tesla er eining segulsviðsstyrks) svo ekki er hægt að nota þá til að búa til sterkari segla. En ofurleiðandi efni við háhita geta unnið á meira en tvöfalt það sviði og líklega jafnvel hærra. Þar sem ofurleiðarar mynda stór segulsvið eru þeir ómissandi þáttur í skönnum og lestum. Til dæmis er segulómun í dag (Magnetic Resonance Imaging) tækni sem notar þennan eiginleika til að skoða og rannsaka efni, sjúkdóma og flóknar sameindir í líkamanum. Önnur forrit fela í sér geymslu á raforku á netstærð með því að hafa orkunýtnar raflínur (dæmi, ofurleiðandi snúrur geta veitt 23 sinnum meira afl en Cooper vírar af sömu stærð), vindorkuframleiðendur og einnig ofurtölvur. Tækin sem geta geymt orku í milljónir ára er hægt að búa til með ofurleiðurum.
Núverandi háhita ofurleiðarar hafa sínar takmarkanir og áskoranir. Fyrir utan að vera mjög dýrir vegna þess að þurfa kælibúnað, eru þessir ofurleiðarar úr brothættum efnum og eru ekki auðvelt að móta og því ekki hægt að nota til að búa til rafmagnsvíra. Efnið gæti líka verið efnafræðilega óstöðugt í ákveðnu umhverfi og afar viðkvæmt fyrir óhreinindum frá andrúmslofti og vatni og því verður það að vera almennt umlukið. Þá er aðeins hámarksstraumur sem ofurleiðandi efni geta borið og umfram mikilvægan straumþéttleika brotnar ofurleiðni niður og takmarkar strauminn. Mikill kostnaður og óhagkvæmni hindrar notkun góðra ofurleiðara, sérstaklega í þróunarlöndum. Verkfræðingarnir myndu í ímyndunaraflinu virkilega vilja mjúkan, sveigjanlegan, járnsegulofurleiðara sem er ónæmur fyrir óhreinindum eða beittum straumi og segulsviðum. Of mikið til að biðja um!
Grafen gæti verið það!
Aðalviðmiðun árangursríks ofurleiðara er að finna háan hita ofurleiðarir, kjörsviðið er stofuhiti. Hins vegar eru nýrri efni enn takmörkuð og mjög krefjandi í gerð. Það er enn stöðugt nám á þessu sviði um nákvæma aðferðafræði sem þessir háhitaofurleiðarar nota og hvernig vísindamenn gætu komist að nýrri hönnun sem er hagnýt. Einn af krefjandi þáttunum í háhita ofurleiðurum er að það er mjög illa skilið hvað raunverulega hjálpar rafeindunum í efninu að para sig saman. Í nýlegri rannsókn hefur í fyrsta skipti verið sýnt fram á að efnið Graphene hefur innri ofurleiðara gæði og við getum raunverulega búið til grafen ofurleiðara í eigin náttúrulegu ástandi efnisins. Grafen, sem er eingöngu kolefnisbundið efni, fannst aðeins árið 2004 og er þynnsta efni sem vitað er um. Það er líka létt og sveigjanlegt þar sem hvert lak samanstendur af kolefnisatómum sexhyrnt. Það er séð að það sé sterkara en stál og það tjáir miklu betri rafleiðni samanborið við kopar. Þannig er þetta margvítt efni með alla þessa efnilegu eiginleika.
Eðlisfræðingar við Massachusetts Institute of Technology og Harvard háskóla í Bandaríkjunum, en verk þeirra eru birt í tveimur greinum1,2 in Nature, hafa greint frá því að þeir séu færir um að stilla efnið grafen til að sýna tvær öfgafullar rafhegðun - sem einangrunarefni þar sem það hleypir engum straumi framhjá og sem ofurleiðari sem leyfir straumi að fara framhjá án nokkurrar viðnáms. Búið var til „ofurgrindur“ úr tveimur grafenblöðum, staflað saman og snúið örlítið við „töfrahorn“ sem er 1.1 gráður. Þessi tiltekna sexhyrndu honeycomb mynstur fyrirkomulag sem liggur yfir var gert til að hugsanlega framkalla "sterkt fylgni víxlverkun" milli rafeinda í grafenblöðunum. Og þetta gerðist vegna þess að grafen gat leitt rafmagn með núllviðnám við þetta „töfrahorn“ á meðan önnur staflað fyrirkomulag hélt grafeni eins aðgreindu og engin samskipti voru við nálæg lög. Þeir sýndu leið til að láta grafen tileinka sér innri eiginleika til frábærrar hegðunar á eigin spýtur. Af hverju þetta er mjög viðeigandi er vegna þess að sami hópur hafði áður búið til grafen ofurleiðara með því að setja grafen í snertingu við aðra ofurleiðandi málma sem gerir það kleift að erfa ofurleiðandi hegðun en gat ekki náð með grafeni einu sér. Þetta er tímamótaskýrsla vegna þess að leiðnihæfileikar grafensins hafa verið þekktir í nokkurn tíma en þetta er í fyrsta skipti sem ofurleiðni grafens hefur náðst án þess að breyta eða bæta öðrum efnum við það. Þannig væri hægt að nota grafen til að búa til smáralíkan. tæki í ofurleiðara hringrás og ofurleiðni sem tjáð er með grafen gæti verið felld inn í sameinda rafeindatæki með nýja virkni.
Þetta færir okkur aftur að allri umræðunni um háhita ofurleiðara og þó að enn þyrfti að kæla þetta kerfi niður í 1.7 gráður á Celsíus, þá lítur út fyrir að hægt sé að framleiða og nota grafen fyrir stór verkefni með því að rannsaka óhefðbundna ofurleiðni þess. Ólíkt hefðbundnum ofurleiðurum er ekki hægt að útskýra virkni grafens með hinni almennu kenningu um ofurleiðni. Slík óhefðbundin virkni hefur sést í flóknum koparoxíðum sem kallast kuprat, sem vitað er að leiða rafmagn í allt að 133 gráður á Celsíus, og hefur verið þungamiðja rannsókna í marga áratugi. Þó, ólíkt þessum cuprates, er staflað grafenkerfi frekar einfalt og efnið er líka skilið betur. Fyrst núna hefur grafen verið uppgötvað sem hreinn ofurleiðari, en efnið í sjálfu sér hefur marga framúrskarandi eiginleika sem áður eru þekktir. Þessi vinna ryður braut fyrir sterkara hlutverk grafens og þróun háhita ofurleiðara sem eru umhverfisvænir og fleira. orka skilvirk og síðast en ekki síst virka við stofuhita sem útilokar þörfina fyrir dýra kælingu. Þetta gæti gjörbylt orkuflutningi, rannsóknarsegulum, lækningatækjum sérstaklega skanna og gæti raunverulega endurskoðað hvernig orka er flutt á heimilum okkar og skrifstofum.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
1. Yuan C o.fl. 2018. Fylgni einangrunarhegðun við hálffyllingu í töfrahorna grafen ofurgrindum. Náttúran. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C o.fl. 2018. Óhefðbundin ofurleiðni í töfrahorna grafen ofurgrindum. Náttúran. https://doi.org/10.1038/nature26160
