Nedavna revolucionarna studija pokazala je jedinstvena svojstva materijala grafena za dugoročnu mogućnost konačnog razvoja ekonomičnih i praktičnih supravodiča.
A supravodiča is a material which can conduct (transmit) elektricitet without resistance. This resistance is defined as some loss of energija which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘temperatura’ 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 energija 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.
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.
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 energija 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.
***
{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
