QUẢNG CÁO

Graphene: Bước nhảy vọt khổng lồ đối với chất siêu dẫn nhiệt độ phòng

Nghiên cứu mang tính đột phá gần đây đã chỉ ra các đặc tính độc đáo của vật liệu graphene cho khả năng lâu dài cuối cùng là phát triển các chất siêu dẫn kinh tế và ứng dụng thực tế.

A chất siêu dẫn là vật liệu có thể dẫn (truyền) điện mà không cần điện trở. Lực cản này được định nghĩa là một số mất mát năng lượng xảy ra trong quá trình này. Vì vậy, bất kỳ vật liệu nào cũng trở nên siêu dẫn khi nó có thể dẫn điện, ở 'nhiệt độ' hoặc điều kiện cụ thể đó, mà không giải phóng nhiệt, âm thanh hoặc bất kỳ dạng năng lượng nào khác. Chất siêu dẫn có hiệu suất 100% nhưng hầu hết các vật liệu yêu cầu ở trạng thái năng lượng cực thấp để trở thành siêu dẫn, có nghĩa là chúng phải rất lạnh. Hầu hết các chất siêu dẫn cần được làm mát bằng helium lỏng đến nhiệt độ rất thấp khoảng -270 độ C. Do đó, bất kỳ ứng dụng siêu dẫn nào thường được kết hợp với một số loại làm lạnh tích cực hoặc thụ động / nhiệt độ thấp. Quy trình làm mát này đòi hỏi một lượng năng lượng quá lớn và helium lỏng không chỉ rất đắt mà còn không thể tái tạo. Do đó, hầu hết các chất siêu dẫn thông thường hoặc "nhiệt độ thấp" đều không hiệu quả, có giới hạn của chúng, không kinh tế, đắt tiền và không thực tế để sử dụng trên quy mô lớn.

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Lĩnh vực chất siêu dẫn đã có một bước nhảy vọt vào giữa những năm 1980 khi một hợp chất oxit đồng được phát hiện có thể siêu dẫn ở nhiệt độ -238 độ C. Nhiệt độ này vẫn lạnh, nhưng ấm hơn nhiều so với nhiệt độ helium lỏng. Đây được gọi là “chất siêu dẫn nhiệt độ cao” (HTC) đầu tiên từng được phát hiện, đoạt giải Nobel, mặc dù “cao” của nó chỉ theo nghĩa tương đối lớn hơn. Do đó, các nhà khoa học nhận ra rằng họ có thể tập trung vào việc cuối cùng tìm ra chất siêu dẫn hoạt động, giả sử với nitơ lỏng (-196 ° C) có điểm cộng là nó có sẵn rất nhiều và cũng rẻ. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao cũng có các ứng dụng khi yêu cầu từ trường rất cao. Các đối tác nhiệt độ thấp của chúng ngừng hoạt động ở khoảng 23 teslas (tesla là đơn vị đo cường độ từ trường) nên chúng không thể được sử dụng để chế tạo nhiều nam châm mạnh hơn. Nhưng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn gấp đôi trường đó, và thậm chí có thể cao hơn. Vì chất siêu dẫn tạo ra từ trường lớn nên chúng là một thành phần thiết yếu trong máy quét và tàu bay. Ví dụ, MRI ngày nay (Hình ảnh Cộng hưởng Từ) là một kỹ thuật sử dụng chất lượng này để xem xét và nghiên cứu các vật liệu, bệnh tật và các phân tử phức tạp trong cơ thể. Các ứng dụng khác bao gồm lưu trữ điện trên quy mô lưới bằng cách sử dụng các đường dây điện tiết kiệm năng lượng (ví dụ, cáp siêu dẫn có thể cung cấp năng lượng gấp 10 lần so với dây cooper có cùng kích thước), máy phát điện gió và siêu máy tính. năng lượng hàng triệu năm có thể được tạo ra bằng chất siêu dẫn.

Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay có những hạn chế và thách thức riêng. Ngoài việc rất đắt tiền vì yêu cầu thiết bị làm mát, các chất siêu dẫn này được làm bằng vật liệu giòn và không dễ tạo hình nên không thể được sử dụng để làm dây dẫn điện. Vật liệu cũng có thể không ổn định về mặt hóa học trong một số môi trường nhất định và cực kỳ nhạy cảm với các tạp chất từ ​​khí quyển và nước, do đó nó thường phải được bao bọc. Khi đó, chỉ có một dòng điện tối đa mà vật liệu siêu dẫn có thể mang theo và trên mật độ dòng điện tới hạn, hiện tượng siêu dẫn phá vỡ giới hạn dòng điện. Chi phí khổng lồ và tính phi thực tế đang cản trở việc sử dụng các chất siêu dẫn tốt, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Trong trí tưởng tượng của họ, các kỹ sư thực sự muốn có một chất siêu dẫn sắt từ mềm, dễ uốn, không thấm các tạp chất hoặc dòng điện và từ trường áp dụng. Quá nhiều để yêu cầu!

Graphene có thể là nó!

Tiêu chí trung tâm của một chất siêu dẫn thành công là tìm ra nhiệt độ cao siêu phẩmr, kịch bản lý tưởng là nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, các vật liệu mới hơn vẫn còn nhiều hạn chế và rất khó chế tạo. Trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục nghiên cứu về phương pháp luận chính xác mà các chất siêu dẫn nhiệt độ cao này áp dụng và cách các nhà khoa học có thể đưa ra một thiết kế mới phù hợp thực tế. Một trong những khía cạnh thách thức đối với chất siêu dẫn nhiệt độ cao là người ta rất ít hiểu điều gì thực sự giúp các electron trong vật liệu bắt cặp với nhau. Trong một nghiên cứu gần đây, lần đầu tiên người ta chỉ ra rằng vật liệu graphene có chất lượng siêu dẫn nội tại và chúng ta thực sự có thể tạo ra chất siêu dẫn graphen ở trạng thái tự nhiên của chính vật liệu. Graphene, một vật liệu hoàn toàn dựa trên carbon, chỉ được phát hiện vào năm 2004 và là vật liệu mỏng nhất được biết đến. Nó cũng nhẹ và linh hoạt với mỗi tấm bao gồm các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo hình lục giác. Nó được coi là mạnh hơn thép và nó thể hiện khả năng dẫn điện tốt hơn nhiều so với đồng. Vì vậy, nó là một vật liệu đa chiều với tất cả các đặc tính đầy hứa hẹn này.

Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts và Đại học Harvard, Hoa Kỳ, người có công trình được xuất bản trong hai bài báo1,2 in Thiên nhiên, đã báo cáo rằng họ có thể điều chỉnh vật liệu graphene để hiển thị hai hành vi điện cực đoan - như một chất cách điện trong đó nó không cho phép bất kỳ dòng điện nào đi qua và như một chất siêu dẫn trong đó cho phép dòng điện đi qua mà không có bất kỳ điện trở nào. Một “siêu mạng” gồm hai tấm graphene được tạo ra xếp chồng lên nhau được quay một chút ở “góc ma thuật” 1.1 độ. Sự sắp xếp mô hình tổ ong lục giác xếp chồng đặc biệt này đã được thực hiện để có khả năng gây ra "tương tác tương quan chặt chẽ" giữa các điện tử trong các tấm graphene. Và điều này đã xảy ra bởi vì graphene có thể dẫn điện với điện trở bằng không ở “góc ma thuật” này trong khi bất kỳ sự sắp xếp chồng lên nhau nào khác đều giữ cho graphene khác biệt và không có tương tác với các lớp lân cận. Họ đã chỉ ra một cách để làm cho graphene có chất lượng nội tại để tự nó siêu dẫn. Tại sao điều này có liên quan cao là bởi vì, cùng một nhóm trước đây đã tổng hợp chất siêu dẫn graphene bằng cách đặt graphene tiếp xúc với các kim loại siêu dẫn khác, cho phép nó thừa hưởng một số hành vi siêu dẫn nhưng không thể đạt được chỉ với graphene. Đây là một báo cáo mang tính đột phá vì khả năng dẫn điện của graphene đã được biết đến từ lâu nhưng đây là lần đầu tiên khả năng siêu dẫn của graphene đạt được mà không cần thay đổi hoặc thêm các vật liệu khác vào nó. thiết bị trong mạch siêu dẫn và tính siêu dẫn được biểu thị bằng graphene có thể được đưa vào các thiết bị điện tử phân tử với các chức năng mới.

Điều này đưa chúng ta trở lại tất cả cuộc nói chuyện về chất siêu dẫn nhiệt độ cao và mặc dù hệ thống này vẫn cần được làm mát đến 1.7 độ C, việc sản xuất và sử dụng graphene cho các dự án lớn có vẻ khả thi hiện nay bằng cách nghiên cứu tính siêu dẫn khác thường của nó. Không giống như các chất siêu dẫn thông thường, hoạt động của graphene không thể được giải thích bằng lý thuyết chính về hiện tượng siêu dẫn. Hoạt động khác thường như vậy đã được nhìn thấy trong các oxit đồng phức tạp được gọi là cuprat, được biết là dẫn điện ở nhiệt độ lên tới 133 độ C, và là trọng tâm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Mặc dù, không giống như những cuprat này, một hệ thống graphene xếp chồng lên nhau khá đơn giản và vật liệu cũng được hiểu rõ hơn. Chỉ đến nay graphene mới được phát hiện như một chất siêu dẫn tinh khiết, nhưng bản thân vật liệu này có nhiều khả năng vượt trội mà trước đây đã được biết đến. Công việc này mở đường cho vai trò mạnh mẽ hơn của graphene và phát triển các chất siêu dẫn nhiệt độ cao thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng hơn và quan trọng nhất là hoạt động ở nhiệt độ phòng loại bỏ nhu cầu làm mát tốn kém. Điều này có thể cách mạng hóa việc truyền tải năng lượng, nghiên cứu nam châm, thiết bị y tế đặc biệt là máy quét và thực sự có thể đại tu cách năng lượng được truyền trong nhà và văn phòng của chúng ta.

***

{Bạn có thể đọc tài liệu nghiên cứu gốc bằng cách nhấp vào liên kết DOI đưa ra bên dưới trong danh sách (các) nguồn được trích dẫn}

Nguồn

1. Yuan C và cộng sự. 2018. Hành vi cách điện có liên quan khi lấp đầy một nửa các siêu kết tụ graphene góc kỳ diệu. Thiên nhiên. https://doi.org/10.1038/nature26154

2. Yuan C và cộng sự. 2018. Tính siêu dẫn khác thường trong siêu kết tụ graphene góc kỳ diệu. Thiên nhiên. https://doi.org/10.1038/nature26160

Nhóm SCIEU
Nhóm SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Khoa học Châu Âu® | SCIEU.com | Những tiến bộ đáng kể của khoa học. Tác động đến loài người. Đầu óc đầy cảm hứng.

Theo dõi bản tin của chúng tôi

Để được cập nhật tất cả các tin tức mới nhất, ưu đãi và thông báo đặc biệt.

Hầu hết các bài viết được ưa thích

Động vật không sinh sản sinh sản “đồng trinh” nhờ kỹ thuật di truyền  

Sinh sản đơn tính là sinh sản vô tính trong đó sự đóng góp di truyền từ...

Sử dụng dây nano để tạo ra pin an toàn hơn và mạnh mẽ hơn

Nghiên cứu đã phát hiện ra một cách để tạo ra pin ...
- Quảng cáo -
94,555Người hâm mộNhư
47,688Người theo dõiTheo
1,772Người theo dõiTheo
30Thuê baoTheo dõi