Studimi i fundit themelor ka treguar vetitë unike të grafenit të materialit për një mundësi afatgjatë të zhvillimit më në fund të superpërçuesve ekonomikë dhe praktikë për t'u përdorur.
A superpërçues është një material që mund të përçojë (transmetojë) energjisë elektrike pa rezistencë. Kjo rezistencë përkufizohet si një humbje e energji që ndodh gjatë procesit. Pra, çdo material bëhet superpërcjellës kur është në gjendje të përçojë elektricitetin, në atë të veçantë.Temperaturat' ose gjendje, pa çlirim të nxehtësisë, zërit ose ndonjë forme tjetër të energjisë. Superpërçuesit janë 100 për qind efikas, por shumica e materialeve kërkojnë të jenë në një nivel jashtëzakonisht të ulët energji gjendjen në mënyrë që të bëhen superpërçues, që do të thotë se duhet të jenë shumë të ftohtë. Shumica e superpërçuesve duhet të ftohen me helium të lëngshëm në një temperaturë shumë të ulët prej rreth -270 gradë Celsius. Kështu, çdo aplikim superpërcjellës shoqërohet përgjithësisht me një lloj ftohjeje kriogjenike/me temperaturë të ulët aktive ose pasive. Kjo procedurë ftohjeje kërkon një sasi të tepruar energjie në vetvete dhe heliumi i lëngshëm është jo vetëm shumë i shtrenjtë, por edhe i pa rinovueshëm. Prandaj, shumica e superpërçuesve konvencionalë ose "temperaturë të ulët" janë joefikas, kanë kufijtë e tyre, janë joekonomikë, të shtrenjtë dhe jopraktikë për përdorim në shkallë të gjerë.
Superpërcjellës me temperaturë të lartë
Fusha e superpërcjellësve mori një hap të madh në mesin e viteve 1980, kur u zbulua një përbërës oksid bakri i cili mund të superpërçonte në -238 gradë Celsius. Kjo është ende e ftohtë, por shumë më e ngrohtë se temperaturat e heliumit të lëngshëm. Ky ishte i njohur si "superpërçuesi i temperaturës së lartë" (HTC) i parë i zbuluar ndonjëherë, duke fituar çmimin Nobel, megjithëse "i lartë" është vetëm në një kuptim më të madh relativ. Prandaj, shkencëtarëve u shkoi mendja se ata mund të përqëndroheshin në gjetjen eventuale të superpërçuesve që funksionojnë, le të themi me azotin e lëngshëm (-196° C) që ka plusin se është i disponueshëm në bollëk dhe është gjithashtu i lirë. Superpërcjellësit me temperaturë të lartë kanë gjithashtu aplikime ku kërkohen fusha magnetike shumë të larta. Homologët e tyre me temperaturë të ulët ndalojnë së punuari në rreth 23 tesla (tesla është një njësi e fuqisë së fushës magnetike) kështu që ata nuk mund të përdoren për të bërë magnet më të fortë. Por materialet superpërcjellëse me temperaturë të lartë mund të punojnë në më shumë se dyfishin e asaj fushe, dhe ka të ngjarë edhe më të larta. Meqenëse superpërçuesit gjenerojnë fusha të mëdha magnetike, ata janë një komponent thelbësor në skanerët dhe trenat që fluturojnë. Për shembull, MRI sot (Imazhe me rezonancë magnetike) është një teknikë e cila përdor këtë cilësi për të parë dhe studiuar materialet, sëmundjet dhe molekulat komplekse në trup. Aplikime të tjera përfshijnë ruajtjen e energjisë elektrike në shkallë rrjeti duke pasur linja energjie efikase (për shembull, kabllot superpërcjellëse mund të ofrojnë 10 herë më shumë energji se telat e bakrit të së njëjtës madhësi), gjeneratorët e energjisë së erës dhe gjithashtu superkompjuterët. Pajisjet që janë në gjendje të ruajnë energjia për miliona vjet mund të krijohet me superpërçues.
Superpërcjellësit aktualë të temperaturës së lartë kanë kufizimet dhe sfidat e tyre. Përveçse janë shumë të shtrenjta për shkak se kërkojnë një pajisje ftohëse, këta superpërçues janë bërë nga materiale të brishta dhe nuk janë të lehta për t'u formësuar dhe kështu nuk mund të përdoren për të bërë tela elektrikë. Materiali gjithashtu mund të jetë kimikisht i paqëndrueshëm në mjedise të caktuara dhe jashtëzakonisht i ndjeshëm ndaj papastërtive nga atmosfera dhe uji dhe për këtë arsye ai duhet të mbyllet në përgjithësi. Pastaj ka vetëm një rrymë maksimale që materialet superpërçuese mund të mbajnë dhe mbi një densitet kritik të rrymës, superpërçueshmëria prishet duke kufizuar rrymën. Kostot e mëdha dhe jopraktiket po pengojnë përdorimin e superpërçuesve të mirë veçanërisht në vendet në zhvillim. Inxhinierët, në imagjinatën e tyre, do të dëshironin vërtet një superpërçues të butë, të lakueshëm, ferromagnetik, i cili është i papërshkueshëm nga papastërtitë ose nga rryma e aplikuar dhe fushat magnetike. Shumë për të kërkuar!
Mund të jetë grafeni!
Kriteri qendror i një superpërcjellësi të suksesshëm është gjetja e një temperature të lartë superpërçuesr, skenari ideal është temperatura e dhomës. Megjithatë, materialet më të reja janë ende të kufizuara dhe janë shumë sfiduese për t'u bërë. Ka ende mësime të vazhdueshme në këtë fushë për metodologjinë e saktë që adoptojnë këta superpërçues me temperaturë të lartë dhe se si shkencëtarët mund të arrijnë në një dizajn të ri që është praktik. Një nga aspektet sfiduese në superpërçuesit me temperaturë të lartë është se nuk kuptohet shumë keq se çfarë i ndihmon vërtet elektronet në një material të çiftohen. Në një studim të fundit është treguar për herë të parë se materiali Graphene ka cilësi të brendshme superpërcjellëse dhe ne mund të bëjmë vërtet një superpërçues grafeni në gjendjen natyrale të materialit. Grafeni, një material thjesht me bazë karboni, u zbulua vetëm në vitin 2004 dhe është materiali më i hollë i njohur. Është gjithashtu i lehtë dhe fleksibël me çdo fletë të përbërë nga atome karboni të rregulluar në mënyrë gjashtëkëndore. Ai shihet të jetë më i fortë se çeliku dhe shpreh përçueshmëri elektrike shumë më të mirë në krahasim me bakrin. Kështu, është një material shumëdimensional me të gjitha këto veti premtuese.
Fizikantë në Institutin e Teknologjisë në Masaçusets dhe Universitetin e Harvardit, SHBA, puna e të cilëve është botuar në dy punime1,2 in Natyrë, kanë raportuar se ata janë në gjendje të sintonizojnë materialin grafen për të treguar dy sjellje ekstreme elektrike – si një izolues në të cilin nuk lejon të kalojë asnjë rrymë dhe si një superpërçues në të cilin lejon që rryma të kalojë pa asnjë rezistencë. Një "superrrjet" prej dy fletësh grafeni u krijua të grumbulluara së bashku, të rrotulluara paksa në një "kënd magjik" prej 1.1 gradë. Ky rregullim i veçantë i modelit gjashtëkëndor të huallit të mjaltit është bërë në mënyrë që të nxisë potencialisht "ndërveprime të lidhura fort" midis elektroneve në fletët e grafenit. Dhe kjo ndodhi sepse grafeni mund të përçonte elektricitetin me rezistencë zero në këtë "kënd magjik" ndërsa çdo rregullim tjetër i grumbulluar e mbante grafenin si të dallueshëm dhe nuk kishte ndërveprim me shtresat fqinje. Ata treguan një mënyrë për ta bërë grafenin të përvetësojë një cilësi të brendshme në super sjellje më vete. Arsyeja pse kjo është shumë e rëndësishme është sepse, i njëjti grup kishte sintetizuar më parë superpërçues grafeni duke e vendosur grafenin në kontakt me metale të tjera superpërcjellëse, duke e lejuar atë të trashëgojë disa sjellje superpërcjellëse, por nuk mund të arrinte vetëm me grafen. Ky është një raport novator sepse aftësitë përçuese të grafenit janë të njohura për një kohë, por është hera e parë që superpërçueshmëria e grafenit është arritur pa ndryshuar ose shtuar materiale të tjera në të. Kështu, grafeni mund të përdoret për të bërë një transistor të ngjashëm pajisja në një qark superpërcjellës dhe superpërçueshmëria e shprehur nga grafeni mund të përfshihet në pajisjet elektronike molekulare me funksionalitete të reja.
Kjo na kthen në të gjitha bisedat për superpërcjellësit me temperaturë të lartë dhe megjithëse ky sistem duhej ende të ftohej në 1.7 gradë Celsius, prodhimi dhe përdorimi i grafenit për projekte të mëdha duket i arritshëm tani duke hetuar superpërçueshmërinë e tij jokonvencionale. Ndryshe nga superpërcjellësit konvencional, aktiviteti i grafenit nuk mund të shpjegohet nga teoria kryesore e superpërçueshmërisë. Një aktivitet i tillë jokonvencional është parë në oksidet komplekse të bakrit të quajtura cuprates, të njohura për përcjelljen e energjisë elektrike deri në 133 gradë Celsius dhe ka qenë fokusi i kërkimit për dekada të shumta. Megjithëse, ndryshe nga këto cuprate, një sistem grafeni i grumbulluar është mjaft i thjeshtë dhe materiali gjithashtu kuptohet më mirë. Vetëm tani grafeni është zbuluar si një superpërçues i pastër, por materiali në vetvete ka shumë aftësi të jashtëzakonshme të cilat janë të njohura më parë. Kjo punë hap rrugën për një rol më të fortë të grafenit dhe zhvillimin e superpërçuesve me temperaturë të lartë që janë miqësore me mjedisin dhe më shumë. energji efikas dhe më e rëndësishmja funksionon në temperaturën e dhomës duke eliminuar nevojën për ftohje të shtrenjtë. Kjo mund të revolucionarizojë transmetimin e energjisë, magnetet kërkimore, pajisjet mjekësore veçanërisht skanerët dhe mund të riparojë me të vërtetë mënyrën se si energjia transmetohet në shtëpitë dhe zyrat tona.
***
{Mund të lexoni punimin origjinal kërkimor duke klikuar lidhjen DOI të dhënë më poshtë në listën e burimeve të cituara}
Burimi (s)
1. Juan C et al. 2018. Sjellja e ndërlidhur e izolatorit në gjysmë-mbushje në supergrilat grafeni me kënd magjik. Natyra. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Juan C et al. 2018. Superpërcjellshmëria jokonvencionale në supergrilat e grafenit me kënd magjik. Natyra. https://doi.org/10.1038/nature26160
