ბოლოდროინდელმა ინოვაციურმა კვლევამ აჩვენა მატერიალური გრაფენის უნიკალური თვისებები ეკონომიური და პრაქტიკული გამოსაყენებელი სუპერგამტარების გრძელვადიანი განვითარების შესაძლებლობისთვის.
A სუპერგამტარი არის მასალა, რომელსაც შეუძლია გატარება (გადაცემა) ელექტროენერგიის წინააღმდეგობის გარეშე. ეს წინააღმდეგობა განისაზღვრება, როგორც გარკვეული დაკარგვა ენერგიის რაც ხდება პროცესის დროს. ამრიგად, ნებისმიერი მასალა ხდება ზეგამტარი, როდესაც მას შეუძლია ელექტროენერგიის გატარება, ამ კონკრეტულ შემთხვევაში.ტემპერატურაან მდგომარეობა, სითბოს, ხმის ან ენერგიის სხვა ფორმის გამოყოფის გარეშე. სუპერგამტარები 100 პროცენტით ეფექტურია, მაგრამ მასალების უმეტესობა მოითხოვს უკიდურესად დაბალ დონეს ენერგიის მდგომარეობა, რათა გახდნენ ზეგამტარები, რაც ნიშნავს, რომ ისინი უნდა იყვნენ ძალიან ცივი. სუპერგამტარების უმეტესობას სჭირდება გაციება თხევადი ჰელიუმით ძალიან დაბალ ტემპერატურამდე -270 გრადუს ცელსიუსამდე. ამრიგად, ზეგამტარების ნებისმიერ გამოყენებას, როგორც წესი, თან ახლავს რაიმე სახის აქტიური ან პასიური კრიოგენული/დაბალი ტემპერატურის გაგრილება. გაგრილების ეს პროცედურა თავისთავად მოითხოვს ენერგიის გადაჭარბებულ რაოდენობას და თხევადი ჰელიუმი არა მხოლოდ ძალიან ძვირია, არამედ არ განახლებადიც. ამიტომ, ჩვეულებრივი ან „დაბალი ტემპერატურის“ ზეგამტარების უმეტესობა არაეფექტურია, აქვს თავისი საზღვრები, არის არაეკონომიური, ძვირი და არაპრაქტიკული ფართომასშტაბიანი გამოყენებისთვის.
მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარები
ზეგამტარების სფერომ მნიშვნელოვანი ნახტომი განიცადა 1980-იანი წლების შუა პერიოდში, როდესაც აღმოაჩინეს სპილენძის ოქსიდის ნაერთი, რომელსაც შეეძლო სუპერგამტარობა -238 გრადუს ცელსიუსზე. ეს ჯერ კიდევ ცივია, მაგრამ გაცილებით თბილია, ვიდრე თხევადი ჰელიუმის ტემპერატურა. ეს ცნობილი იყო, როგორც პირველი „მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარი“ (HTC), რომელიც ოდესმე იქნა აღმოჩენილი, რომელმაც მოიპოვა ნობელის პრემია, თუმცა მისი „მაღალი“ მხოლოდ შედარებითი გაგებით. ამიტომ, მეცნიერებს გაუჩნდათ აზრი, რომ მათ შეეძლოთ ფოკუსირება მოახდინონ ზეგამტარების პოვნაზე, რომლებიც მუშაობენ, ვთქვათ, თხევადი აზოტით (-196°C), რომელსაც აქვს პლუსი, რომ ის ხელმისაწვდომია უხვად და ასევე იაფია. მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარებს ასევე აქვთ აპლიკაციები, სადაც საჭიროა ძალიან მაღალი მაგნიტური ველები. მათი დაბალი ტემპერატურის კოლეგები წყვეტენ მუშაობას დაახლოებით 23 ტესლაზე (ტესლა არის მაგნიტური ველის სიძლიერის ერთეული), ამიტომ მათი გამოყენება არ შეიძლება უფრო ძლიერი მაგნიტების შესაქმნელად. მაგრამ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარ მასალებს შეუძლიათ იმუშაონ ამ ველზე ორჯერ მეტზე და, სავარაუდოდ, უფრო მაღალზეც. იმის გამო, რომ ზეგამტარები წარმოქმნიან დიდ მაგნიტურ ველებს, ისინი არსებითი კომპონენტია სკანერებსა და ლევიტაციურ მატარებლებში. მაგალითად, დღეს MRI (მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულება) არის ტექნიკა, რომელიც იყენებს ამ ხარისხს ორგანიზმში არსებული მასალების, დაავადებების და რთული მოლეკულების შესასწავლად და შესასწავლად. სხვა აპლიკაციებს მიეკუთვნება ელექტროენერგიის ქსელის მასშტაბის შენახვა ენერგოეფექტური ელექტროგადამცემი ხაზებით (მაგალითად, ზეგამტარ კაბელებს შეუძლიათ 10-ჯერ მეტი სიმძლავრის მიწოდება, ვიდრე იმავე ზომის კუპრის მავთულები), ქარის ენერგიის გენერატორები და ასევე სუპერკომპიუტერები. მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ შენახვა. ენერგია მილიონობით წლის განმავლობაში შეიძლება შეიქმნას სუპერგამტარებით.
ამჟამინდელ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარებს აქვთ საკუთარი შეზღუდვები და გამოწვევები. გარდა იმისა, რომ ძალიან ძვირია, რადგან საჭიროებს გამაგრილებელ მოწყობილობას, ეს ზეგამტარები დამზადებულია მყიფე მასალებისგან და არ არის ადვილი ფორმირება და, შესაბამისად, არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრო სადენების დასამზადებლად. მასალა ასევე შეიძლება იყოს ქიმიურად არასტაბილური გარკვეულ გარემოში და უკიდურესად მგრძნობიარე ატმოსფეროსა და წყლის მინარევების მიმართ და, შესაბამისად, ის ზოგადად უნდა იყოს ჩასმული. მაშინ არის მხოლოდ მაქსიმალური დენი, რომლის გადატანა შეუძლიათ ზეგამტარ მასალებს და კრიტიკული დენის სიმკვრივის ზემოთ, სუპერგამტარობა იშლება და ზღუდავს დენს. დიდი ხარჯები და არაპრაქტიკულობა აფერხებს კარგი სუპერგამტარების გამოყენებას, განსაკუთრებით განვითარებად ქვეყნებში. ინჟინრებს, თავიანთ წარმოსახვაში, ნამდვილად სურთ რბილი, ელასტიური, ფერომაგნიტური ზეგამტარი, რომელიც არ არის გამტარი მინარევებისაგან ან გამოყენებული დენისა და მაგნიტური ველებისგან. ძალიან ბევრის თხოვნა!
გრაფინი შეიძლება იყოს!
წარმატებული სუპერგამტარის ცენტრალური კრიტერიუმია მაღალი ტემპერატურის პოვნა სუპერგამტარიr, იდეალური სცენარია ოთახის ტემპერატურა. თუმცა, უფრო ახალი მასალები ჯერ კიდევ შეზღუდულია და ძალიან რთულია მისი დამზადება. ამ სფეროში ჯერ კიდევ მიმდინარეობს უწყვეტი სწავლა იმის შესახებ, თუ რა ზუსტი მეთოდოლოგია აქვთ ამ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებს და როგორ შეიძლება მეცნიერებმა მიაღწიონ ახალ დიზაინს, რომელიც პრაქტიკულია. მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებში ერთ-ერთი რთული ასპექტი ის არის, რომ ძალიან ცუდად არის გაგებული, რა ეხმარება რეალურად მასალაში ელექტრონებს დაწყვილებაში. ბოლო კვლევაში პირველად აჩვენა, რომ მასალა graphene აქვს შინაგანი ზეგამტარობის ხარისხი და ჩვენ ნამდვილად შეგვიძლია შევქმნათ გრაფენის ზეგამტარი მასალის ბუნებრივ მდგომარეობაში. გრაფენი, წმინდა ნახშირბადზე დაფუძნებული მასალა, აღმოაჩინეს მხოლოდ 2004 წელს და არის ყველაზე თხელი მასალა. ის ასევე მსუბუქი და მოქნილია ყოველი ფურცლით, რომელიც შედგება ექვსკუთხედად განლაგებული ნახშირბადის ატომებისგან. როგორც ჩანს, ის უფრო ძლიერია ვიდრე ფოლადი და გამოხატავს ბევრად უკეთეს ელექტროგამტარობას სპილენძთან შედარებით. ამრიგად, ეს არის მრავალგანზომილებიანი მასალა ყველა ამ პერსპექტიული თვისებით.
ფიზიკოსები მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტისა და ჰარვარდის უნივერსიტეტიდან, აშშ, რომელთა ნაშრომი გამოქვეყნებულია ორ ნაშრომში1,2 in ბუნება, განაცხადეს, რომ მათ შეუძლიათ დააკონფიგურირონ გრაფენი, რათა გამოავლინონ ორი ექსტრემალური ელექტრული ქცევა - როგორც იზოლატორი, რომელშიც ის არ იძლევა დენის გავლის საშუალებას და როგორც ზეგამტარი, რომელშიც დენი საშუალებას აძლევს გაიაროს ყოველგვარი წინააღმდეგობის გარეშე. შეიქმნა გრაფენის ორი ფურცლის „სუპერ გისოსი“ დაწყობილი, რომელიც ოდნავ ბრუნავდა „ჯადოსნური კუთხით“ 1.1 გრადუსით. ეს კონკრეტული გადაფარვის ექვსკუთხა თაფლისებრი შაბლონის განლაგება გაკეთდა ისე, რომ პოტენციურად გამოეწვია „ძლიერად კორელირებული ურთიერთქმედება“ ელექტრონებს შორის გრაფენის ფურცლებში. და ეს მოხდა იმიტომ, რომ გრაფენს შეეძლო ელექტროენერგიის გატარება ნულოვანი წინააღმდეგობის მქონე ამ „ჯადოსნური კუთხით“, მაშინ როდესაც ნებისმიერი სხვა დაწყობილი განლაგება ინარჩუნებდა გრაფენს განსხვავებულად და არ არსებობდა ურთიერთქმედება მეზობელ ფენებთან. მათ აჩვენეს გზა, რათა გრაფენმა დამოუკიდებლად მიეღო შინაგანი ხარისხი სუპერ ქცევისთვის. რატომ არის ეს ძალიან აქტუალური იმიტომ, რომ იმავე ჯგუფს ადრე ასინთეზებდა გრაფენის ზეგამტარები გრაფენის სხვა ზეგამტარ ლითონებთან კონტაქტში მოთავსებით, რაც მას საშუალებას აძლევდა დაემკვიდრებინა ზოგიერთი ზეგამტარი ქცევა, მაგრამ ვერ მიაღწია მხოლოდ გრაფენით. ეს არის ინოვაციური მოხსენება, რადგან გრაფენის გამტარუნარიანობა დიდი ხანია ცნობილია, მაგრამ ეს პირველი შემთხვევაა, როდესაც გრაფენის ზეგამტარობა მიღწეულია მასში სხვა მასალების შეცვლისა და დამატების გარეშე. ამრიგად, გრაფენის გამოყენება შესაძლებელია ტრანზისტორის მსგავსი. მოწყობილობა ზეგამტარ წრეში და გრაფენით გამოხატული ზეგამტარობა შეიძლება ჩართული იყოს მოლეკულურ ელექტრომოწყობილობაში ახალი ფუნქციონირებით.
ეს გვაბრუნებს მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებზე ყველა საუბარს და მიუხედავად იმისა, რომ ამ სისტემას ჯერ კიდევ სჭირდებოდა 1.7 გრადუს ცელსიუსამდე გაცივება, გრაფენის წარმოება და გამოყენება დიდი პროექტებისთვის ახლა მისაღწევად გამოიყურება მისი არატრადიციული ზეგამტარობის გამოკვლევით. ჩვეულებრივი ზეგამტარებისგან განსხვავებით, გრაფენის აქტივობა არ შეიძლება აიხსნას სუპერგამტარობის ძირითადი თეორიით. ასეთი არატრადიციული აქტივობა დაფიქსირდა სპილენძის კომპლექსურ ოქსიდებში, სახელწოდებით კუპრატები, რომლებიც ცნობილია ელექტროენერგიის გატარებით 133 გრადუს ცელსიუსამდე და მრავალი ათწლეულის მანძილზე იყო კვლევის ყურადღების ცენტრში. თუმცა, ამ კუპრატებისგან განსხვავებით, დაწყობილი გრაფენის სისტემა საკმაოდ მარტივია და მასალაც უკეთ არის გასაგები. მხოლოდ ახლა აღმოაჩინეს გრაფინი, როგორც სუფთა ზეგამტარი, მაგრამ მასალას თავისთავად აქვს მრავალი გამორჩეული შესაძლებლობა, რომელიც ადრე იყო ცნობილი. ეს ნამუშევარი გზას უხსნის გრაფენის უფრო ძლიერ როლს და მაღალტემპერატურულ ზეგამტარების განვითარებას, რომლებიც ეკოლოგიურად სუფთაა და სხვა. ენერგიის ეფექტური და რაც მთავარია ფუნქციონირებს ოთახის ტემპერატურაზე, რაც გამორიცხავს ძვირადღირებული გაგრილების საჭიროებას. ამან შეიძლება მოახდინოს რევოლუცია ენერგიის გადაცემაში, კვლევით მაგნიტებზე, სამედიცინო მოწყობილობებზე, განსაკუთრებით სკანერებში და რეალურად გადახედოს ენერგიის გადაცემას ჩვენს სახლებსა და ოფისებში.
***
{შეგიძლიათ წაიკითხოთ ორიგინალური კვლევითი ნაშრომი ციტირებულ წყარო(ებ)ის სიაში ქვემოთ მოცემულ DOI ბმულზე დაწკაპუნებით}
წყარო (ებ) ი
1. Yuan C და სხვ. 2018. იზოლატორის კორელირებული ქცევა გრაფენის მაგიური კუთხის ზელატებში ნახევრად შევსებისას. Ბუნება. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C და სხვ. 2018. არატრადიციული ზეგამტარობა მაგიური კუთხის გრაფენის ზელატებში. Ბუნება. https://doi.org/10.1038/nature26160
