Nedávná převratná studie prokázala jedinečné vlastnosti materiálu grafen pro dlouhodobou možnost konečného vývoje ekonomických a praktických supravodičů.
A supravodič is a material which can conduct (transmit) elektřina without resistance. This resistance is defined as some loss of energie which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘teplota’ 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 energie 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.
Vysokoteplotní supravodiče
V oblasti supravodičů došlo k velkému skoku v polovině 1980. let, kdy byla objevena sloučenina oxidu mědi, která by mohla být supravodivá při -238 stupních Celsia. To je stále chladné, ale mnohem teplejší než teploty kapalného helia. Toto bylo známé jako první „vysokoteplotní supravodič“ (HTC), který byl kdy objeven, získal Nobelovu cenu, i když „vysoko“ pouze ve větším relativním smyslu. Proto vědce napadlo, že by se mohli zaměřit na případné nalezení supravodičů, které fungují, řekněme s kapalným dusíkem (-196° C), mající tu výhodu, že je ho dostatek a jsou také levné. Vysokoteplotní supravodiče mají také aplikace, kde jsou vyžadována velmi vysoká magnetická pole. Jejich nízkoteplotní protějšky přestávají fungovat při teplotě kolem 23 tesla (tesla je jednotka síly magnetického pole), takže je nelze použít k výrobě silnějších magnetů. Ale vysokoteplotní supravodivé materiály mohou pracovat ve více než dvojnásobném poli a pravděpodobně ještě vyšší. Protože supravodiče generují velká magnetická pole, jsou nezbytnou součástí skenerů a levitujících vlaků. Například dnešní magnetická rezonance (Magnetic Resonance Imaging) je technika, která využívá tuto kvalitu k prohlížení a studiu materiálů, nemocí a složitých molekul v těle. Mezi další aplikace patří ukládání elektrické energie do sítě pomocí energeticky účinných elektrických vedení (například supravodivé kabely mohou poskytnout 10krát více energie než měděné dráty stejné velikosti), větrné generátory a také superpočítače. pomocí supravodičů lze vytvořit energii po miliony let.
Současné vysokoteplotní supravodiče mají svá vlastní omezení a výzvy. Kromě toho, že jsou velmi drahé, protože vyžadují chladicí zařízení, jsou tyto supravodiče vyrobeny z křehkých materiálů a nelze je snadno tvarovat, a proto je nelze použít k výrobě elektrických vodičů. Materiál může být také chemicky nestabilní v určitých prostředích a extrémně citlivý na nečistoty z atmosféry a vody, a proto musí být obecně uzavřen. Pak existuje pouze maximální proud, který mohou supravodivé materiály nést, a nad kritickou proudovou hustotou se supravodivost rozpadne a omezí proud. Obrovské náklady a nepraktičnost brání použití dobrých supravodičů zejména v rozvojových zemích. Inženýři by ve své představivosti skutečně chtěli měkký, tvárný, feromagnetický supravodič, který je nepropustný pro nečistoty nebo aplikovaný proud a magnetická pole. Příliš mnoho žádat!
Může to být grafen!
Ústředním kritériem úspěšného supravodiče je nalezení vysoké teploty supravodičr, ideální scénář je pokojová teplota. Novější materiály jsou však stále omezené a jejich výroba je velmi náročná. V této oblasti se stále neustále učí o přesné metodice, kterou tyto vysokoteplotní supravodiče přijímají, a o tom, jak by vědci mohli dospět k novému designu, který je praktický. Jedním z náročných aspektů vysokoteplotních supravodičů je to, že je velmi špatně pochopeno, co skutečně pomáhá elektronům v materiálu spárovat se. V nedávné studii bylo poprvé prokázáno, že materiál grafenu má vnitřní supravodivou kvalitu a můžeme skutečně vyrobit grafenový supravodič v přirozeném stavu materiálu. Grafen, materiál čistě na bázi uhlíku, byl objeven teprve v roce 2004 a je nejtenčím známým materiálem. Je také lehký a pružný, přičemž každý list se skládá z atomů uhlíku uspořádaných hexagonálně. Zdá se, že je pevnější než ocel a ve srovnání s mědí vykazuje mnohem lepší elektrickou vodivost. Jedná se tedy o vícerozměrný materiál se všemi těmito slibnými vlastnostmi.
Fyzikové z Massachusetts Institute of Technology a Harvard University, USA, jejichž práce jsou publikovány ve dvou článcích1,2 in Příroda, oznámili, že jsou schopni vyladit materiál grafen tak, aby vykazoval dvě extrémní elektrické chování – jako izolátor, ve kterém neprochází žádný proud, a jako supravodič, ve kterém proud propouští bez jakéhokoli odporu. Byla vytvořena „supermřížka“ dvou grafenových listů naskládaných na sebe, mírně otočených pod „magickým úhlem“ 1.1 stupně. Toto konkrétní uspořádání překrývajících se šestiúhelníkových voštinových vzorů bylo provedeno tak, aby potenciálně indukovalo „silně korelované interakce“ mezi elektrony v grafenových listech. A to se stalo, protože grafen mohl vést elektřinu s nulovým odporem v tomto „magickém úhlu“, zatímco jakékoli jiné vrstvené uspořádání udržovalo grafen jako odlišný a nedocházelo k žádné interakci se sousedními vrstvami. Ukázali způsob, jak přimět grafen, aby si osvojil vnitřní kvalitu, aby se sám choval skvěle. Proč je to vysoce relevantní, je to proto, že stejná skupina již dříve syntetizovala grafenové supravodiče tím, že umístila grafen do kontaktu s jinými supravodivými kovy, což mu umožnilo zdědit některé supravodivé chování, ale nemohlo toho dosáhnout pouze s grafenem. Toto je průlomová zpráva, protože vodivé schopnosti grafenu jsou známy již nějakou dobu, ale je to vůbec poprvé, kdy bylo dosaženo supravodivosti grafenu bez změny nebo přidání dalších materiálů. Grafen by tedy mohl být použit k výrobě tranzistorů. zařízení v supravodivém obvodu a supravodivost vyjádřená grafenem by mohla být začleněna do molekulárních elektronických zařízení s novými funkcemi.
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 energie 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.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
1. Yuan C a kol. 2018. Korelované chování izolátoru při polovičním vyplnění v supermřížkách grafenu magického úhlu. Příroda. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C a kol. 2018. Nekonvenční supravodivost v supermřížkách grafenu magického úhlu. Příroda. https://doi.org/10.1038/nature26160
