Վերջերս բեկումնային ուսումնասիրությունը ցույց է տվել նյութի գրաֆենի եզակի հատկությունները տնտեսական և գործնական օգտագործման գերհաղորդիչներ վերջնականապես զարգացնելու երկարաժամկետ հնարավորության համար:
A գերհաղորդիչ is a material which can conduct (transmit) էլեկտրականություն without resistance. This resistance is defined as some loss of էներգիա which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘ջերմաստիճան’ 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 էներգիա 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.
Բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ
Գերհաղորդիչների ոլորտը մեծ թռիչք կատարեց 1980-ականների կեսերին, երբ հայտնաբերվեց պղնձի օքսիդ միացություն, որը կարող էր գերհաղորդիչ լինել -238 աստիճան Ցելսիուսի պայմաններում: Սա դեռ ցուրտ է, բայց շատ ավելի տաք, քան հեղուկ հելիումի ջերմաստիճանը: Սա հայտնի էր որպես երբևէ հայտնաբերված առաջին «բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչը» (HTC), որը արժանացավ Նոբելյան մրցանակի, թեև «բարձր» էր միայն ավելի մեծ հարաբերական իմաստով: Հետևաբար, գիտնականների մտքով անցավ, որ նրանք կարող են ի վերջո կենտրոնանալ գերհաղորդիչներ գտնելու վրա, որոնք աշխատում են, ասենք, հեղուկ ազոտի (-196°C) դեպքում՝ ունենալով այն պլյուսը, որ այն հասանելի է շատ և էժան: Բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներն ունեն նաև կիրառություններ, որտեղ շատ բարձր մագնիսական դաշտեր են պահանջվում: Նրանց ցածր ջերմաստիճանի նմանակները դադարում են աշխատել մոտ 23 թեսլայով (տեսլան մագնիսական դաշտի ուժգնության միավոր է), ուստի դրանք չեն կարող օգտագործվել ավելի ուժեղ մագնիսներ ստեղծելու համար: Բայց բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչ նյութերը կարող են աշխատել ավելի քան երկու անգամ այդ դաշտում, և, հավանաբար, նույնիսկ ավելի բարձր: Քանի որ գերհաղորդիչներն առաջացնում են մեծ մագնիսական դաշտեր, դրանք սկաներների և շարժվող գնացքների հիմնական բաղադրիչն են: Օրինակ, այսօր ՄՌՏ-ն (մագնիսական ռեզոնանսային պատկերացում) տեխնիկա է, որն օգտագործում է այս որակը՝ մարմնի նյութերը, հիվանդությունները և բարդ մոլեկուլները դիտելու և ուսումնասիրելու համար: Այլ կիրառությունները ներառում են էլեկտրաէներգիայի ցանցային մասշտաբով պահեստավորում՝ ունենալով էներգաարդյունավետ էլեկտրահաղորդման գծեր (օրինակ՝ գերհաղորդիչ մալուխները կարող են ապահովել 10 անգամ ավելի շատ էներգիա, քան նույն չափի պղնձե լարերը), հողմային էներգիայի գեներատորները և նաև գերհամակարգիչները: Սարքերը, որոնք ունակ են պահեստավորելու։ միլիոնավոր տարիների էներգիան կարող է ստեղծվել գերհաղորդիչներով:
Ներկայիս բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներն ունեն իրենց սահմանափակումներն ու մարտահրավերները: Բացի շատ թանկ լինելուց, քանի որ պահանջում են սառեցնող սարք, այս գերհաղորդիչները պատրաստված են փխրուն նյութերից և հեշտ չեն ձևավորվում, ուստի չեն կարող օգտագործվել էլեկտրական լարեր պատրաստելու համար: Նյութը կարող է նաև քիմիապես անկայուն լինել որոշակի միջավայրերում և չափազանց զգայուն մթնոլորտի և ջրի կեղտերի նկատմամբ, ուստի այն պետք է ընդհանուր առմամբ պատված լինի: Այնուհետև կա միայն առավելագույն հոսանք, որը կարող են կրել գերհաղորդիչ նյութերը, և կրիտիկական հոսանքի խտությունից բարձր, գերհաղորդականությունը քայքայվում է՝ սահմանափակելով հոսանքը: Հսկայական ծախսերն ու անիրագործելիությունը խոչընդոտում են լավ գերհաղորդիչների օգտագործմանը հատկապես զարգացող երկրներում: Ինժեներները, իրենց երևակայությամբ, իսկապես կցանկանային փափուկ, ճկուն, ֆերոմագնիսական գերհաղորդիչ, որն անթափանց է կեղտից կամ կիրառվող հոսանքից և մագնիսական դաշտերից: Չափազանց շատ է խնդրելու համար:
Գրաֆենը կարող է լինել:
Հաջողակ գերհաղորդիչի կենտրոնական չափանիշը բարձր ջերմաստիճան գտնելն է գերհաղորդիչr, իդեալական սցենարը սենյակային ջերմաստիճանն է: Այնուամենայնիվ, նոր նյութերը դեռևս սահմանափակ են և շատ դժվար է պատրաստել: Այս ոլորտում դեռ շարունակական ուսուցում կա այն ճշգրիտ մեթոդոլոգիայի մասին, որը որդեգրում են այս բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներն ու ինչպես գիտնականները կարող են հասնել նոր դիզայնի, որը գործնական է: Բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների դժվար կողմերից մեկն այն է, որ շատ վատ է հասկացվում, թե ինչն է իրականում օգնում նյութի էլեկտրոններին զուգավորվել: Վերջերս կատարված ուսումնասիրության մեջ առաջին անգամ ցույց է տրվել, որ նյութը Graphene ունի ներքին գերհաղորդիչ որակ, և մենք իսկապես կարող ենք պատրաստել գրաֆենի գերհաղորդիչ նյութի բնական վիճակում: Գրաֆենը, որը զուտ ածխածնի վրա հիմնված նյութ է, հայտնաբերվել է միայն 2004 թվականին և հանդիսանում է հայտնի ամենաբարակ նյութը: Այն նաև թեթև է և ճկուն՝ վեցանկյուն դասավորված ածխածնի ատոմներից բաղկացած յուրաքանչյուր թերթիկով: Երևում է, որ այն ավելի ամուր է, քան պողպատը և արտահայտում է շատ ավելի լավ էլեկտրական հաղորդունակություն՝ համեմատած պղնձի: Այսպիսով, դա բազմաչափ նյութ է այս բոլոր խոստումնալից հատկություններով:
Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի և ԱՄՆ-ի Հարվարդի համալսարանի ֆիզիկոսներ, որոնց աշխատանքը տպագրված է երկու հոդվածով1,2 in բնություն, հայտնել են, որ իրենք ի վիճակի են կարգավորել գրաֆենի նյութը՝ ցույց տալու երկու ծայրահեղ էլեկտրական վարք՝ որպես մեկուսիչ, որտեղ այն թույլ չի տալիս հոսանք անցնել, և որպես գերհաղորդիչ, որը թույլ է տալիս հոսանքն անցնել առանց որևէ դիմադրության: Ստեղծվել է գրաֆենի երկու թիթեղներից կազմված «գերվանդակը», որոնք իրար շարված են՝ մի փոքր պտտելով 1.1 աստիճան «կախարդական անկյան տակ»: Այս հատուկ ծածկված վեցանկյուն մեղրախորիսխի ձևավորումն արվել է այնպես, որ գրաֆենի թիթեղների էլեկտրոնների միջև պոտենցիալ առաջացնել «խիստ փոխկապակցված փոխազդեցություններ»: Եվ դա տեղի ունեցավ, քանի որ գրաֆենը կարող էր զրոյական դիմադրությամբ էլեկտրականություն հաղորդել այս «կախարդական անկյան տակ», մինչդեռ ցանկացած այլ դասավորված դասավորություն պահում էր գրաֆենը նույնքան տարբեր, և չկար փոխազդեցություն հարևան շերտերի հետ: Նրանք ցույց տվեցին մի միջոց, որպեսզի ստիպեն գրաֆենին ինքնուրույն սուպեր վարքագիծ ընդունելու ներքին որակը: Ինչու սա շատ կարևոր է, քանի որ նույն խումբը նախկինում սինթեզել էր գրաֆենի գերհաղորդիչներ՝ գրաֆենը կապի մեջ դնելով այլ գերհաղորդիչ մետաղների հետ, ինչը թույլ էր տալիս նրան ժառանգել որոշ գերհաղորդիչ վարքագիծ, բայց չէր կարող հասնել միայն գրաֆենի հետ: Սա բեկումնային զեկույց է, քանի որ գրաֆենի հաղորդունակությունը վաղուց հայտնի էր, բայց սա առաջին դեպքն է, երբ գրաֆենի գերհաղորդականությունը ձեռք է բերվում առանց դրա մեջ այլ նյութեր փոխելու կամ ավելացնելու: Այսպիսով, գրաֆենը կարող է օգտագործվել տրանզիստորի նման տրանզիստոր ստեղծելու համար: սարքը գերհաղորդիչ շղթայում և գրաֆենով արտահայտված գերհաղորդականությունը կարող են ներառվել նոր գործառույթներով մոլեկուլային էլեկտրոնային սարքերի մեջ:
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 էներգիա 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.
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
1. Յուան Ս և այլք: 2018. Հարաբերակցված մեկուսիչի վարքագիծը կախարդական անկյան գրաֆենի գերվանդակների կիսալցման ժամանակ: Բնություն. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Յուան Ս և այլք: 2018. Ոչ սովորական գերհաղորդականություն կախարդական անկյունով գրաֆենի գերվանդակներում: Բնություն. https://doi.org/10.1038/nature26160
