Nyligen banbrytande studie har visat de unika egenskaperna hos materialgrafen för en långsiktig möjlighet att äntligen utveckla ekonomiska och praktiska att använda supraledare.
A supraledare är ett material som kan leda (sända) el utan motstånd. Detta motstånd definieras som en viss förlust av energi som inträffar under processen. Så, vilket material som helst blir supraledande när det kan leda elektricitet, vid det specifika 'temperatureller tillstånd, utan frigöring av värme, ljud eller någon annan form av energi. Supraledare är 100 procent effektiva men de flesta material måste vara extremt låga energi tillstånd för att bli supraledande, vilket innebär att de måste vara väldigt kalla. De flesta supraledare behöver kylas med flytande helium till mycket låg temperatur på cirka -270 grader Celsius. Sålunda är vilken supraledande tillämpning i allmänhet kopplad till någon form av aktiv eller passiv kryogen/lågtemperaturkylning. Detta kylningsförfarande kräver en överdriven mängd energi i sig och flytande helium är inte bara mycket dyrt utan också icke-förnybart. Därför är de flesta konventionella eller "lågtemperatur" supraledare ineffektiva, har sina gränser, är oekonomiska, dyra och opraktiska för storskalig användning.
Högtemperatursupraledare
Området för supraledare tog ett stort steg i mitten av 1980-talet när en kopparoxidförening upptäcktes som kunde supraledning vid -238 grader Celsius. Detta är fortfarande kallt, men mycket varmare än flytande heliumtemperaturer. Detta var känt som den första "högtemperatursupraledaren" (HTC) som någonsin upptäckts och vann Nobelpriset, även om den bara är "hög" i en större relativ mening. Därför kom det upp för forskare att de kunde fokusera på att så småningom hitta supraledare som fungerar, låt oss säga med flytande kväve (-196°C) som har plusset att det finns i massor och dessutom är billigt. Högtemperatursupraledare har också applikationer där mycket höga magnetfält krävs. Deras lågtemperaturmotsvarigheter slutar fungera vid cirka 23 tesla (tesla är en enhet för magnetfältstyrka) så de kan inte användas för att göra starkare magneter. Men supraledande material vid hög temperatur kan fungera på mer än dubbelt så mycket fält, och sannolikt ännu högre. Eftersom supraledare genererar stora magnetfält är de en viktig komponent i skannrar och svävande tåg. Till exempel är MRT idag (Magnetic Resonance Imaging) en teknik som använder denna kvalitet för att titta på och studera material, sjukdomar och komplexa molekyler i kroppen. Andra tillämpningar inkluderar lagring av elektricitet i nätskala genom att ha energieffektiva kraftledningar (exempelvis kan supraledande kablar ge 10 gånger så mycket ström som koppartrådar av samma storlek), vindkraftsgeneratorer och även superdatorer. De enheter som kan lagra energi under miljontals år kan skapas med supraledare.
De nuvarande högtemperatursupraledarna har sina egna begränsningar och utmaningar. Förutom att de är mycket dyra på grund av att de kräver en kylanordning, är dessa supraledare gjorda av spröda material och är inte lätta att forma och kan därför inte användas för att tillverka elektriska ledningar. Materialet kan också vara kemiskt instabilt i vissa miljöer och extremt känsligt för föroreningar från atmosfär och vatten och därför måste det vara allmänt inneslutet. Då finns det bara en maximal ström som supraledande material kan bära och över en kritisk strömtäthet bryts supraledning ner vilket begränsar strömmen. Enorma kostnader och opraktiska problem hindrar användningen av bra supraledare, särskilt i utvecklingsländer. Ingenjörerna, i sin fantasi, skulle verkligen vilja ha en mjuk, formbar, ferromagnetisk supraledare som är ogenomtränglig för föroreningar eller applicerad ström och magnetiska fält. För mycket att begära!
Grafen kan vara det!
Det centrala kriteriet för en framgångsrik supraledare är att hitta en hög temperatur supraledningr, det ideala scenariot är rumstemperatur. Men nyare material är fortfarande begränsade och är mycket utmanande att göra. Det sker fortfarande kontinuerligt lärande inom detta område om den exakta metodiken som dessa högtemperatursupraledare använder och hur forskare kan komma fram till en ny design som är praktisk. En av de utmanande aspekterna i högtemperatursupraledare är att det är väldigt dåligt förstått vad som verkligen hjälper elektronerna i ett material att paras ihop. I en färsk studie har det för första gången visat sig att materialet grafen har inneboende supraledande kvalitet och vi kan verkligen göra en grafensupraledare i materialets eget naturliga tillstånd. Grafen, ett rent kolbaserat material, upptäcktes först 2004 och är det tunnaste materialet man känner till. Det är också lätt och flexibelt med varje ark består av kolatomer arrangerade hexagonalt. Det anses vara starkare än stål och det uttrycker mycket bättre elektrisk ledningsförmåga jämfört med koppar. Det är alltså ett flerdimensionellt material med alla dessa lovande egenskaper.
Fysiker vid Massachusetts Institute of Technology och Harvard University, USA, vars arbete publiceras i två artiklar1,2 in Natur, har rapporterat att de kan ställa in materialet grafen för att visa två extrema elektriska beteenden - som en isolator där den inte tillåter någon ström att passera och som en supraledare där den tillåter ström att passera utan motstånd. Ett "supergitter" av två grafenark skapades staplade ihop roterade något i en "magisk vinkel" på 1.1 grader. Denna speciella överliggande hexagonala bikakemönsterarrangemang gjordes för att potentiellt inducera "starkt korrelerade interaktioner" mellan elektronerna i grafenarken. Och detta hände eftersom grafen kunde leda elektricitet med noll motstånd vid denna "magiska vinkel" medan alla andra staplade arrangemang höll grafen som distinkt och det fanns ingen interaktion med de närliggande lagren. De visade ett sätt att få grafen att anta en inneboende kvalitet till superuppförande på egen hand. Varför detta är högst relevant beror på att samma grupp tidigare hade syntetiserat grafensupraledare genom att placera grafen i kontakt med andra supraledande metaller, vilket gjorde det möjligt för den att ärva vissa supraledande beteenden men kunde inte uppnå med grafen ensam. Detta är en banbrytande rapport eftersom grafens ledningsförmåga har varit känd ett tag men det är första gången någonsin som grafens supraledning har uppnåtts utan att ändra eller lägga till andra material till den. Grafen skulle alltså kunna användas för att göra en transistorliknande enhet i en supraledande krets och supraledningsförmågan uttryckt av grafen skulle kunna införlivas i molekylära elektronikenheter med nya funktioner.
Detta för oss tillbaka till allt snack om högtemperatursupraledare och även om detta system fortfarande behövde kylas till 1.7 grader Celsius, ser det ut som att producera och använda grafen för stora projekt nåbart nu genom att undersöka dess okonventionella supraledning. Till skillnad från konventionella supraledare kan grafens aktivitet inte förklaras av den vanliga teorin om supraledning. Sådan okonventionell aktivitet har setts i komplexa kopparoxider som kallas kuprater, kända för att leda elektricitet i upp till 133 grader Celsius, och har varit i fokus för forskning i flera decennier. Men till skillnad från dessa kuprater är ett staplat grafensystem ganska enkelt och materialet förstås också bättre. Först nu har grafen upptäckts som en ren supraledare, men materialet i sig har många enastående förmågor som är kända tidigare. Detta arbete banar väg för en starkare roll för grafen och utveckling av högtemperatursupraledare som är miljövänliga och mer energi effektiv och viktigast av allt fungerar vid rumstemperatur vilket eliminerar behovet av dyr kylning. Detta kan revolutionera energiöverföring, forskningsmagneter, medicinsk utrustning, särskilt skannrar, och kan verkligen se över hur energi överförs i våra hem och kontor.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. Yuan C et al. 2018. Korrelerat isolatorbeteende vid halvfyllning i grafensupergitter med magisk vinkel. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Okonventionell supraledning i magisk vinkel grafen supergitter. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26160
