Nedavna revolucionarna studija pokazala je jedinstvena svojstva materijala grafena za dugoročnu mogućnost konačnog razvoja ekonomičnih i praktičnih supravodiča.
A supravodiča je materijal koji može provoditi (prenositi) elektricitet bez otpora. Taj se otpor definira kao određeni gubitak energija koja se javlja tijekom procesa. Dakle, bilo koji materijal postaje supravodljiv kada je u stanju provoditi elektricitet, na tom određenom 'temperatura' ili stanje, bez oslobađanja topline, zvuka ili bilo kojeg drugog oblika energije. Supervodiči su 100 posto učinkoviti, ali većina materijala zahtijeva izuzetno nisku razinu energija stanju kako bi postali supravodljivi, što znači da moraju biti vrlo hladni. Većinu supravodiča potrebno je ohladiti tekućim helijem na vrlo nisku temperaturu od oko -270 stupnjeva Celzijusa. Stoga je svaka supravodljiva primjena općenito povezana s nekom vrstom aktivnog ili pasivnog kriogenog/niskotemperaturnog hlađenja. Ovaj postupak hlađenja zahtijeva preveliku količinu energije sam po sebi, a tekući helij ne samo da je vrlo skup, već je i neobnovljiv. Stoga je većina konvencionalnih ili "niskotemperaturnih" supravodiča neučinkovita, ima svoja ograničenja, neekonomična je, skupa i nepraktična za široku upotrebu.
Supertemperatori visoke temperature
Područje supravodiča napravilo je veliki skok sredinom 1980-ih kada je otkriven spoj bakrenog oksida koji može biti supravodljiv na -238 stupnjeva Celzija. Ovo je još uvijek hladno, ali mnogo toplije od temperature tekućeg helija. Ovo je bilo poznato kao prvi "visokotemperaturni supravodič" (HTC) ikada otkriven, koji je osvojio Nobelovu nagradu, iako je "visok" samo u većem relativnom smislu. Stoga je znanstvenicima palo na pamet da bi se mogli usredotočiti na eventualno pronalaženje supravodiča koji rade, recimo, s tekućim dušikom (-196° C) s plusom što je dostupan u obilju i također je jeftin. Visokotemperaturni supravodiči također imaju primjene gdje su potrebna vrlo velika magnetska polja. Njihove niskotemperaturne kolege prestaju raditi na oko 23 tesla (tesla je jedinica za snagu magnetskog polja) tako da se ne mogu koristiti za izradu jačih magneta. No, visokotemperaturni supravodljivi materijali mogu raditi na više nego dvostruko većem polju, a vjerojatno čak i više. Budući da supravodiči stvaraju velika magnetska polja, oni su bitna komponenta u skenerima i levitirajućim vlakovima. Na primjer, MRI danas (magnetska rezonancija) je tehnika koja koristi ovu kvalitetu za gledanje i proučavanje materijala, bolesti i složenih molekula u tijelu. Ostale primjene uključuju skladištenje električne energije u mreži pomoću energetski učinkovitih dalekovoda (primjerice, supravodljivi kabeli mogu pružiti 10 puta više snage od bakrenih žica iste veličine), generatore energije vjetra i također superračunala. Uređaji koji mogu pohraniti energija se milijunima godina može stvarati supravodnicima.
Sadašnji visokotemperaturni supravodiči imaju svoja ograničenja i izazove. Osim što su vrlo skupi jer zahtijevaju uređaj za hlađenje, ovi su supravodičici izrađeni od krhkih materijala i nije ih lako oblikovati pa se stoga ne mogu koristiti za izradu električnih žica. Materijal također može biti kemijski nestabilan u određenim okruženjima i iznimno osjetljiv na nečistoće iz atmosfere i vode, te stoga mora biti općenito zatvoren. Tada postoji samo maksimalna struja koju supravodljivi materijali mogu nositi i iznad kritične gustoće struje, supravodljivost se prekida ograničavajući struju. Ogromni troškovi i nepraktičnost ometaju korištenje dobrih supravodiča, posebno u zemljama u razvoju. Inženjeri bi, u svojoj mašti, zaista željeli mekani, savitljivi, feromagnetski supravodič koji je nepropustan na nečistoće ili primijenjenu struju i magnetska polja. Previše tražiti!
Grafen bi mogao biti to!
Središnji kriterij uspješnog supravodiča je pronaći visoku temperaturu supravodljivr, idealan scenarij je sobna temperatura. Međutim, noviji materijali su još uvijek ograničeni i vrlo ih je zahtjevno napraviti. U ovom području još uvijek postoji kontinuirano učenje o točnoj metodologiji koju usvajaju ovi visokotemperaturni supravodiči i kako bi znanstvenici mogli doći do novog dizajna koji je praktičan. Jedan od izazovnih aspekata u visokotemperaturnim supravodičima je da se vrlo slabo razumije što zapravo pomaže elektronima u materijalu da se upare. U nedavnoj studiji po prvi put je pokazano da materijal grafen ima intrinzičnu kvalitetu supravodljivosti i stvarno možemo napraviti grafenski supravodič u prirodnom stanju materijala. Grafen, materijal isključivo na bazi ugljika, otkriven je tek 2004. godine i najtanji je poznati materijal. Također je lagan i fleksibilan sa svakim slojem koji se sastoji od ugljikovih atoma raspoređenih šesterokutno. Vidi se da je jači od čelika i izražava mnogo bolju električnu vodljivost u usporedbi s bakrom. Dakle, to je višedimenzionalni materijal sa svim ovim obećavajućim svojstvima.
Fizičari s Massachusetts Institute of Technology i Harvard University, SAD, čiji je rad objavljen u dva rada1,2 in Priroda, su izvijestili da su u stanju podesiti materijal grafen da pokaže dva ekstremna električna ponašanja – kao izolator u kojem ne dopušta da struja prođe i kao supravodič u kojem dopušta struji da prolazi bez ikakvog otpora. Stvorena je "superrešetka" od dva lista grafena naslaganih zajedno lagano zakrenutih pod "magičnim kutom" od 1.1 stupanj. Ovaj poseban raspored šesterokutnog saća u obliku saća napravljen je tako da potencijalno izazove "jako korelirane interakcije" između elektrona u grafenskim pločama. I to se dogodilo jer je grafen mogao provoditi struju s nultim otporom pod ovim "magičnim kutom", dok je bilo koji drugi složeni raspored držao grafen kao različit i nije bilo interakcije sa susjednim slojevima. Pokazali su način da natjeraju grafen da sam po sebi usvoji intrinzičnu kvalitetu super ponašanja. Razlog zašto je ovo vrlo relevantno je zato što je ista skupina prethodno sintetizirala grafenske supravodiče stavljajući grafen u kontakt s drugim supravodljivim metalima što mu je omogućilo da naslijedi neka supravodljiva ponašanja, ali nije mogla postići samo s grafenom. Ovo je revolucionarno izvješće jer su vodljive sposobnosti grafena poznate već neko vrijeme, ali to je prvi put ikad da je supravodljivost grafena postignuta bez izmjene ili dodavanja drugih materijala. Stoga bi se grafen mogao koristiti za izradu tranzistora poput uređaj u supravodljivom krugu i supravodljivost izražena grafenom mogla bi se ugraditi u molekularne elektronske uređaje s novim funkcionalnostima.
Ovo nas vraća na sve priče o visokotemperaturnim supravodičima i iako je ovaj sustav još uvijek trebalo ohladiti na 1.7 stupnjeva Celzijusa, proizvodnja i korištenje grafena za velike projekte sada se čini ostvarivim istraživanjem njegove nekonvencionalne supravodljivosti. Za razliku od konvencionalnih supravodiča, aktivnost grafena ne može se objasniti glavnom teorijom supravodljivosti. Takva nekonvencionalna aktivnost primijećena je u složenim bakrenim oksidima zvanim kuprati, za koje se zna da provode elektricitet na temperaturama do 133 stupnja Celzijusa, te su u fokusu istraživanja više desetljeća. Iako je, za razliku od ovih kuprata, naslagani sustav grafena prilično jednostavan, a materijal se također bolje razumije. Grafen je tek sada otkriven kao čisti supravodič, ali materijal sam po sebi ima mnoge izvanredne sposobnosti koje su otprije poznate. Ovaj rad utire put jačoj ulozi grafena i razvoju visokotemperaturnih supravodiča koji su ekološki prihvatljivi i više energija učinkovit i što je najvažnije funkcionira na sobnoj temperaturi eliminirajući potrebu za skupim hlađenjem. Ovo bi moglo revolucionirati prijenos energije, istraživanje magneta, medicinskih uređaja, posebno skenera i moglo bi stvarno promijeniti način na koji se energija prenosi u našim domovima i uredima.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
1. Yuan C i sur. 2018. Korelirano ponašanje izolatora pri polupunjenju u superrešetkama grafena magičnog kuta. Priroda. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C i sur. 2018. Nekonvencionalna supravodljivost u superrešetkama grafena magijskog kuta. Priroda. https://doi.org/10.1038/nature26160
