Nedávna prelomová štúdia ukázala jedinečné vlastnosti grafénu pre vývoj ekonomických a prakticky použiteľných supravodičov.
A supravodič je materiál, ktorý môže viesť (prenášať) elektrina bez odporu. Tento odpor je definovaný ako určitá strata energie ku ktorému dochádza počas procesu. Takže každý materiál sa stáva supravodivým, keď je schopný viesť elektrinu, v tomto konkrétnom 'teplota“ alebo stavu, bez uvoľnenia tepla, zvuku alebo akejkoľvek inej formy energie. Supravodiče sú 100-percentne účinné, ale väčšina materiálov musí byť extrémne nízka energie aby sa stali supravodivými, čo znamená, že musia byť veľmi studené. Väčšinu supravodičov je potrebné ochladiť tekutým héliom na veľmi nízku teplotu okolo -270 stupňov Celzia. Každá supravodivá aplikácia je teda vo všeobecnosti spojená s nejakým druhom aktívneho alebo pasívneho kryogénneho/nízkoteplotného chladenia. Tento chladiaci postup si sám o sebe vyžaduje nadmerné množstvo energie a tekuté hélium je nielen veľmi drahé, ale aj neobnoviteľné. Preto väčšina konvenčných alebo „nízkoteplotných“ supravodičov je neefektívna, má svoje limity, je neekonomická, drahá a nepraktická pre použitie vo veľkom meradle.
Vysokoteplotné supravodiče
Oblasť supravodičov urobila veľký skok v polovici 1980-tych rokov, keď bola objavená zlúčenina oxidu medi, ktorá by mohla byť supravodivá pri -238 stupňoch Celzia. Toto je stále chladné, ale oveľa teplejšie ako teploty tekutého hélia. Toto bolo známe ako prvý objavený „vysokoteplotný supravodič“ (HTC), ktorý získal Nobelovu cenu, aj keď „vysoko“ len vo väčšom relatívnom zmysle. Preto vedcov napadlo, že by sa mohli zamerať na nájdenie supravodičov, ktoré by fungovali, povedzme s tekutým dusíkom (-196°C), s tým plusom, že je ho dostatok a navyše sú lacné. Vysokoteplotné supravodiče majú tiež aplikácie, kde sú potrebné veľmi vysoké magnetické polia. Ich nízkoteplotné náprotivky prestávajú pracovať pri približne 23 teslach (tesla je jednotka sily magnetického poľa), takže ich nemožno použiť na výrobu silnejších magnetov. Ale vysokoteplotné supravodivé materiály môžu pracovať vo viac ako dvojnásobnom poli a pravdepodobne ešte vyššom. Keďže supravodiče vytvárajú veľké magnetické polia, sú nevyhnutnou súčasťou skenerov a levitujúcich vlakov. Napríklad dnešná magnetická rezonancia (Magnetic Resonance Imaging) je technika, ktorá využíva túto kvalitu na prezeranie a štúdium materiálov, chorôb a zložitých molekúl v tele. Iné aplikácie zahŕňajú skladovanie elektriny v sieťovej mierke pomocou energeticky účinných elektrických vedení (napríklad supravodivé káble môžu poskytnúť 10-krát viac energie ako medené drôty rovnakej veľkosti), veterné generátory a tiež superpočítače. pomocou supravodičov možno vytvoriť energiu po milióny rokov.
Súčasné vysokoteplotné supravodiče majú svoje vlastné obmedzenia a výzvy. Okrem toho, že sú veľmi drahé, pretože vyžadujú chladiace zariadenie, sú tieto supravodiče vyrobené z krehkých materiálov a nie je ľahké ich tvarovať, a preto sa nedajú použiť na výrobu elektrických vodičov. Materiál môže byť tiež chemicky nestabilný v určitých prostrediach a mimoriadne citlivý na nečistoty z atmosféry a vody, a preto musí byť všeobecne uzavretý. Potom existuje len maximálny prúd, ktorý môžu prenášať supravodivé materiály a nad kritickou hustotou prúdu sa supravodivosť rozpadne a obmedzí prúd. Obrovské náklady a nepraktickosť bránia používaniu dobrých supravodičov najmä v rozvojových krajinách. Inžinieri by vo svojej fantázii skutočne chceli mäkký, tvárny, feromagnetický supravodič, ktorý je nepriepustný pre nečistoty alebo aplikované prúdové a magnetické polia. Príliš veľa žiadať!
Môže to byť grafén!
Ústredným kritériom úspešného supravodiča je nájsť vysokú teplotu supravodičr, ideálny scenár je izbová teplota. Novšie materiály sú však stále obmedzené a ich výroba je veľmi náročná. V tejto oblasti sa stále neustále učí o presnej metodológii, ktorú tieto vysokoteplotné supravodiče prijímajú, a o tom, ako by vedci mohli dospieť k novému dizajnu, ktorý je praktický. Jedným z náročných aspektov vysokoteplotných supravodičov je, že je veľmi zle pochopené, čo skutočne pomáha elektrónom v materiáli spárovať sa. V nedávnej štúdii sa prvýkrát ukázalo, že materiál grafenu má vnútornú kvalitu supravodivosti a skutočne dokážeme vyrobiť grafénový supravodič v prirodzenom stave materiálu. Grafén, materiál na čisto uhlíkovej báze, bol objavený až v roku 2004 a je najtenším známym materiálom. Je tiež ľahký a flexibilný, pričom každý list pozostáva z atómov uhlíka usporiadaných šesťhranne. Zdá sa, že je pevnejšia ako oceľ a má oveľa lepšiu elektrickú vodivosť v porovnaní s meďou. Ide teda o viacrozmerný materiál so všetkými týmito sľubnými vlastnosťami.
Fyzici z Massachusetts Institute of Technology a Harvard University, USA, ktorých práca je publikovaná v dvoch článkoch1,2 in príroda, oznámili, že sú schopní vyladiť materiál grafén tak, aby vykazoval dve extrémne elektrické správanie – ako izolátor, v ktorom neprepúšťa žiadny prúd, a ako supravodič, v ktorom prúdi prepúšťa bez akéhokoľvek odporu. Vytvorila sa „supermriežka“ dvoch grafénových listov naskladaných na seba mierne otočených v „magickom uhle“ 1.1 stupňa. Toto konkrétne usporiadanie prekrývajúceho šesťuholníkového voštinového vzoru sa uskutočnilo tak, aby potenciálne vyvolalo „silne korelované interakcie“ medzi elektrónmi v grafénových listoch. A to sa stalo, pretože grafén mohol viesť elektrinu s nulovým odporom pri tomto „magickom uhle“, zatiaľ čo akékoľvek iné naskladané usporiadanie udržiavalo grafén ako odlišný a nedochádzalo k interakcii so susednými vrstvami. Ukázali spôsob, ako prinútiť grafén osvojiť si vnútornú kvalitu, aby sa sám choval. Prečo je to veľmi dôležité, pretože tá istá skupina predtým syntetizovala grafénové supravodiče umiestnením grafénu do kontaktu s inými supravodivými kovmi, čo mu umožnilo zdediť niektoré supravodivé správanie, ale nedokázalo to dosiahnuť len s grafénom. Toto je prelomová správa, pretože vodivé schopnosti grafénu sú už nejaký čas známe, ale je to vôbec prvýkrát, čo bola supravodivosť grafénu dosiahnutá bez zmeny alebo pridania iných materiálov. Grafén by sa teda dal použiť na výrobu tranzistora. zariadenie v supravodivom obvode a supravodivosť vyjadrená grafénom by mohla byť začlenená do molekulárnych elektronických zariadení s novými funkciami.
To nás privádza späť ku všetkým rečiam o vysokoteplotných supravodičoch a hoci tento systém ešte potreboval ochladiť na 1.7 stupňa Celzia, výroba a používanie grafénu pre veľké projekty sa teraz zdá byť dosiahnuteľné skúmaním jeho nekonvenčnej supravodivosti. Na rozdiel od bežných supravodičov činnosť grafénu nemožno vysvetliť teóriou hlavného prúdu supravodivosti. Takáto nekonvenčná aktivita bola pozorovaná v komplexných oxidoch medi nazývaných kupráty, o ktorých je známe, že vedú elektrinu až pri 133 stupňoch Celzia a sú predmetom výskumu už niekoľko desaťročí. Aj keď na rozdiel od týchto kuprátov je vrstvený grafénový systém pomerne jednoduchý a materiál je tiež lepšie pochopiteľný. Až teraz bol grafén objavený ako čistý supravodič, ale samotný materiál má mnoho vynikajúcich schopností, ktoré boli predtým známe. Táto práca pripravuje cestu pre silnejšiu úlohu grafénu a vývoj vysokoteplotných supravodičov, ktoré sú šetrné k životnému prostrediu a viac energie efektívne a čo je najdôležitejšie, funguje pri izbovej teplote, čím eliminuje potrebu drahého chladenia. To by mohlo spôsobiť revolúciu v prenose energie, výskumných magnetoch, lekárskych prístrojoch, najmä skeneroch, a mohlo by to skutočne zmeniť spôsob prenosu energie v našich domovoch a kanceláriách.
***
Zdroj (e)
1. Yuan C a kol. 2018. Korelované správanie izolátora pri polovičnom vyplnení grafénových supermriežok magického uhla. Príroda. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C a kol. 2018. Nekonvenčná supravodivosť v grafénových supermriežkach magického uhla. Príroda. https://doi.org/10.1038/nature26160
***
