Recent baanbrekend onderzoek heeft de unieke eigenschappen van materiaal grafeen aangetoond voor een langetermijnmogelijkheid om uiteindelijk economische en praktisch te gebruiken supergeleiders te ontwikkelen.
A supergeleider is een materiaal dat zonder weerstand elektriciteit kan geleiden (doorlaten). Deze weerstand wordt gedefinieerd als enig energieverlies dat optreedt tijdens het proces. Dus elk materiaal wordt supergeleidend wanneer het in staat is om elektriciteit te geleiden, bij die specifieke 'temperatuur' of conditie, zonder dat er warmte, geluid of enige andere vorm van energie vrijkomt. Supergeleiders zijn 100 procent efficiënt, maar de meeste materialen moeten in een extreem lage energietoestand zijn om supergeleidend te worden, wat betekent dat ze erg koud moeten zijn. De meeste supergeleiders moeten met vloeibaar helium worden gekoeld tot een zeer lage temperatuur van ongeveer -270 graden Celsius. Elke supergeleidende toepassing is dus over het algemeen gekoppeld aan een soort van actieve of passieve cryogene koeling bij lage temperaturen. Deze afkoelingsprocedure vereist op zich een overmatige hoeveelheid energie en vloeibaar helium is niet alleen erg duur, maar ook niet-hernieuwbaar. Daarom zijn de meeste conventionele of "lage temperatuur" supergeleiders inefficiënt, hebben hun limieten, zijn oneconomisch, duur en onpraktisch voor grootschalig gebruik.
Hoge temperatuur supergeleiders
Het gebied van supergeleiders maakte een grote sprong in het midden van de jaren tachtig toen een koperoxideverbinding werd ontdekt die bij -1980 graden Celsius supergeleidend kon zijn. Dit is nog steeds koud, maar veel warmer dan de temperaturen van vloeibaar helium. Dit stond bekend als de eerste "hoge-temperatuur-supergeleider" (HTC) die ooit werd ontdekt en won de Nobelprijs, hoewel het alleen in grotere relatieve zin "hoog" is. Daarom kwam het bij wetenschappers op dat ze zich konden concentreren op het uiteindelijk vinden van supergeleiders die werken, laten we zeggen met vloeibare stikstof (-238 ° C) met als voordeel dat het in overvloed beschikbaar is en ook goedkoop is. Hoge temperatuur supergeleiders hebben ook toepassingen waar zeer hoge magnetische velden vereist zijn. Hun tegenhangers bij lage temperaturen werken niet meer bij ongeveer 196 tesla (tesla is een eenheid van magnetische veldsterkte), zodat ze niet kunnen worden gebruikt om sterkere magneten te maken. Maar supergeleidende materialen bij hoge temperatuur kunnen werken op meer dan twee keer dat veld, en waarschijnlijk zelfs hoger. Omdat supergeleiders grote magnetische velden opwekken, zijn ze een essentieel onderdeel van scanners en zwevende treinen. De huidige MRI (Magnetic Resonance Imaging) is bijvoorbeeld een techniek die deze kwaliteit gebruikt om materialen, ziekten en complexe moleculen in het lichaam te bekijken en te bestuderen. Andere toepassingen zijn onder meer opslag van elektriciteit op rasterschaal door het hebben van energiezuinige hoogspanningslijnen (supergeleidende kabels kunnen bijvoorbeeld 23 keer zoveel stroom leveren als cooper-draden van dezelfde grootte), windenergiegeneratoren en ook supercomputers. energie voor miljoenen jaren kan worden gecreëerd met supergeleiders.
De huidige hoge temperatuur supergeleiders hebben hun eigen beperkingen en uitdagingen. Deze supergeleiders zijn niet alleen erg duur omdat ze een koelapparaat nodig hebben, ze zijn gemaakt van brosse materialen en zijn niet gemakkelijk te vormen en kunnen dus niet worden gebruikt om elektrische draden te maken. Het materiaal kan ook chemisch onstabiel zijn in bepaalde omgevingen en extreem gevoelig voor onzuiverheden uit de atmosfeer en water en daarom moet het in het algemeen worden omhuld. Dan is er slechts een maximale stroom die supergeleidende materialen kunnen dragen en boven een kritische stroomdichtheid breekt de supergeleiding af waardoor de stroom wordt beperkt. Enorme kosten en onpraktischheden belemmeren het gebruik van goede supergeleiders, vooral in ontwikkelingslanden. In hun verbeelding zouden de ingenieurs echt een zachte, kneedbare, ferromagnetische supergeleider willen die ongevoelig is voor onzuiverheden of toegepaste stroom en magnetische velden. Te veel gevraagd!
Grafeen zou het kunnen zijn!
Het centrale criterium van een succesvolle supergeleider is het vinden van een hoge temperatuur supergeleidendr, het ideale scenario is kamertemperatuur. Nieuwere materialen zijn echter nog steeds beperkt en zeer uitdagend om te maken. Er wordt op dit gebied nog steeds voortdurend geleerd over de exacte methodologie die deze supergeleiders bij hoge temperaturen toepassen en hoe wetenschappers tot een nieuw ontwerp kunnen komen dat praktisch is. Een van de uitdagende aspecten van supergeleiders bij hoge temperaturen is dat het zeer slecht wordt begrepen wat de elektronen in een materiaal echt helpt om te paren. In een recente studie is voor het eerst aangetoond dat het materiaal grafeen heeft intrinsieke supergeleidende kwaliteit en we kunnen echt een grafeen-supergeleider maken in de natuurlijke staat van het materiaal. Grafeen, een puur op koolstof gebaseerd materiaal, werd pas in 2004 ontdekt en is het dunste materiaal dat bekend is. Het is ook licht en flexibel omdat elk vel bestaat uit koolstofatomen die hexagonaal zijn gerangschikt. Het wordt gezien als sterker dan staal en het drukt een veel betere elektrische geleidbaarheid uit in vergelijking met koper. Het is dus een multidimensionaal materiaal met al deze veelbelovende eigenschappen.
Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology en Harvard University, VS, wiens werk is gepubliceerd in twee papers1,2 in NATUUR, hebben gemeld dat ze het materiaal grafeen kunnen afstemmen om twee extreme elektrische gedragingen te vertonen - als een isolator waarin het geen stroom doorlaat en als een supergeleider waarin het stroom zonder enige weerstand doorlaat. Er werd een "superrooster" van twee grafeenplaten gemaakt, op elkaar gestapeld, lichtjes geroteerd in een "magische hoek" van 1.1 graden. Deze specifieke overlappende hexagonale honingraatpatroonrangschikking werd gedaan om mogelijk "sterk gecorreleerde interacties" tussen de elektronen in de grafeenvellen te induceren. En dit gebeurde omdat grafeen elektriciteit kon geleiden zonder weerstand in deze "magische hoek", terwijl elke andere gestapelde opstelling grafeen apart hield en er geen interactie was met de aangrenzende lagen. Ze toonden een manier om grafeen zelf een intrinsieke kwaliteit te laten aannemen om supergeleid te worden. Waarom dit zeer relevant is, is omdat dezelfde groep eerder grafeen-supergeleiders had gesynthetiseerd door grafeen in contact te brengen met andere supergeleidende metalen, waardoor het wat supergeleidend gedrag kon erven, maar dit niet kon bereiken met grafeen alleen. Dit is een baanbrekend rapport omdat het geleidende vermogen van grafeen al een tijdje bekend is, maar het is de eerste keer dat de supergeleiding van grafeen is bereikt zonder andere materialen te veranderen of eraan toe te voegen. apparaat in een supergeleidend circuit en de supergeleiding uitgedrukt door grafeen zou kunnen worden opgenomen in moleculaire elektronische apparaten met nieuwe functionaliteiten.
Dit brengt ons terug bij al het gepraat over supergeleiders bij hoge temperaturen en hoewel dit systeem nog moest worden gekoeld tot 1.7 graden Celsius, lijkt het produceren en gebruiken van grafeen voor grote projecten nu haalbaar door de onconventionele supergeleiding ervan te onderzoeken. In tegenstelling tot conventionele supergeleiders kan de activiteit van grafeen niet worden verklaard door de algemene theorie van supergeleiding. Dergelijke onconventionele activiteit is waargenomen in complexe koperoxiden, cuprates genaamd, waarvan bekend is dat ze elektriciteit geleiden tot 133 graden Celsius, en is al tientallen jaren de focus van onderzoek. Hoewel, in tegenstelling tot deze cupraten, een gestapeld grafeensysteem vrij eenvoudig is en het materiaal ook beter wordt begrepen. Pas nu is grafeen ontdekt als een pure supergeleider, maar het materiaal zelf heeft veel uitstekende mogelijkheden die eerder bekend waren. Dit werk maakt de weg vrij voor een sterkere rol van grafeen en de ontwikkeling van supergeleiders voor hoge temperaturen die milieuvriendelijker en energiezuiniger zijn en vooral werken bij kamertemperatuur, waardoor dure koeling overbodig wordt. Dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de energietransmissie, onderzoeksmagneten, medische apparaten, met name scanners, en zou de manier waarop energie wordt overgedragen in onze huizen en kantoren echt kunnen veranderen.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
1. Yuan C et al. 2018. Gecorreleerd isolatorgedrag bij halfvullende grafeensuperroosters met magische hoek. Natuur. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Onconventionele supergeleiding in superroosters van grafeen met een magische hoek. Natuur. https://doi.org/10.1038/nature26160
