مطالعات پیشگامانه اخیر خواص منحصر به فرد گرافن ماده را برای امکان طولانی مدت در نهایت توسعه ابررساناهای اقتصادی و کاربردی نشان داده است.
A ابررسانا ماده ای است که می تواند هدایت کند (انتقال) برق بدون مقاومت این مقاومت به عنوان مقداری از دست دادن تعریف می شود انرژی که در طول فرآیند اتفاق می افتد. بنابراین، هر ماده ای زمانی ابررسانا می شود که بتواند الکتریسیته را در آن خاص هدایت کند.درجه حرارتیا شرایط، بدون انتشار گرما، صدا یا هر شکل دیگری از انرژی. ابررساناها 100 درصد کارآمد هستند، اما بیشتر مواد باید در سطح بسیار پایینی قرار گیرند انرژی حالت می دهند تا ابررسانا شوند، به این معنی که آنها باید بسیار سرد باشند. اکثر ابررساناها باید با هلیوم مایع تا دمای بسیار پایین در حدود -270 درجه سانتیگراد خنک شوند. بنابراین، هر کاربرد ابررسانایی عموماً با نوعی خنک‌سازی برودتی فعال یا غیرفعال/در دمای پایین همراه است. این روش خنک‌سازی به خودی خود به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد و هلیوم مایع نه تنها بسیار گران است بلکه غیر قابل تجدید است. بنابراین، اکثر ابررساناهای معمولی یا "درجه حرارت پایین" ناکارآمد هستند، محدودیت های خود را دارند، غیراقتصادی، گران و غیرعملی برای استفاده در مقیاس بزرگ هستند.
ابررساناهای درجه حرارت بالا
حوزه ابررساناها در اواسط دهه 1980 با کشف یک ترکیب اکسید مس که می توانست در دمای 238- درجه سانتیگراد ابررسانا باشد، جهش بزرگی داشت. این هنوز سرد است، اما بسیار گرمتر از دمای هلیوم مایع است. این اولین "ابررسانای دمای بالا" (HTC) بود که تا به حال کشف شد و برنده جایزه نوبل شد، اگرچه "بالا" آن فقط در معنای نسبی بیشتر بود. بنابراین، به ذهن دانشمندان رسید که می‌توانند در نهایت بر روی یافتن ابررساناهایی تمرکز کنند که کار می‌کنند، مثلاً با نیتروژن مایع (-196 درجه سانتیگراد) که دارای مزیتی است که به وفور در دسترس است و همچنین ارزان است. ابررساناهای درجه حرارت بالا همچنین کاربردهایی دارند که میدان مغناطیسی بسیار بالایی مورد نیاز است. همتایان با دمای پایین آنها در حدود 23 تسلا کار نمی کنند (تسلا واحد قدرت میدان مغناطیسی است) بنابراین نمی توان از آنها برای ساخت آهنرباهای قوی تر استفاده کرد. اما مواد ابررسانا با دمای بالا می‌توانند در بیش از دو برابر میدان، و احتمالاً حتی بیشتر از آن، کار کنند. از آنجایی که ابررساناها میدان های مغناطیسی بزرگی تولید می کنند، جزء ضروری در اسکنرها و قطارهای معلق هستند. به عنوان مثال، امروزه MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) تکنیکی است که از این کیفیت برای مشاهده و مطالعه مواد، بیماری ها و مولکول های پیچیده در بدن استفاده می کند. کاربردهای دیگر عبارتند از ذخیره سازی برق در مقیاس شبکه با داشتن خطوط برق کارآمد (به عنوان مثال، کابل های ابررسانا می توانند 10 برابر سیم های مسی با همان اندازه برق ارائه دهند)، ژنراتورهای برق بادی و همچنین ابر رایانه ها. دستگاه هایی که قابلیت ذخیره سازی دارند. انرژی برای میلیون ها سال را می توان با ابررساناها ایجاد کرد.
ابررساناهای دمای بالا فعلی محدودیت ها و چالش های خاص خود را دارند. این ابررساناها جدا از اینکه به دلیل نیاز به دستگاه خنک کننده بسیار گران هستند، از مواد شکننده ساخته شده اند و به راحتی شکل نمی گیرند و بنابراین نمی توان از آنها برای ساخت سیم های برق استفاده کرد. این ماده همچنین ممکن است در محیط های خاص از نظر شیمیایی ناپایدار باشد و به ناخالصی های جو و آب بسیار حساس باشد و بنابراین به طور کلی باید محصور شود. سپس تنها حداکثر جریانی وجود دارد که مواد ابررسانا می توانند حمل کنند و بالاتر از یک چگالی جریان بحرانی، ابررسانایی از بین می رود و جریان را محدود می کند. هزینه های هنگفت و غیرعملی بودن مانع استفاده از ابررساناهای خوب به ویژه در کشورهای در حال توسعه است. مهندسان، در تصورات خود، واقعاً یک ابررسانای فرومغناطیسی نرم، چکش‌خوار و غیرقابل نفوذ در برابر ناخالصی‌ها یا جریان اعمال شده و میدان‌های مغناطیسی می‌خواهند. خیلی زیاده که بخوای!
گرافن می تواند باشد!
معیار اصلی یک ابررسانای موفق، یافتن دمای بالا است ابررساناr، سناریوی ایده آل دمای اتاق است. با این حال، مواد جدیدتر هنوز محدود هستند و ساخت آنها بسیار چالش برانگیز است. هنوز در این زمینه در مورد روش دقیقی که این ابررساناهای با دمای بالا اتخاذ می کنند و اینکه چگونه دانشمندان می توانند به طرح جدیدی دست یابند که عملی است، در این زمینه یادگیری مداوم وجود دارد. یکی از جنبه های چالش برانگیز در ابررساناهای با دمای بالا این است که درک بسیار ضعیفی از آنچه واقعاً به جفت شدن الکترون های یک ماده کمک می کند. در یک مطالعه اخیر برای اولین بار نشان داده شده است که مواد گرافن دارای کیفیت ابررسانایی ذاتی است و ما واقعاً می توانیم یک ابررسانای گرافن در حالت طبیعی خود ماده بسازیم. گرافن، ماده ای کاملاً مبتنی بر کربن، تنها در سال 2004 کشف شد و نازک ترین ماده شناخته شده است. همچنین سبک و انعطاف پذیر است و هر صفحه از اتم های کربن تشکیل شده است که به صورت شش ضلعی چیده شده اند. به نظر می رسد که از فولاد قوی تر است و در مقایسه با مس رسانایی الکتریکی بسیار بهتری را بیان می کند. بنابراین، این یک ماده چند بعدی با تمام این خواص امیدوار کننده است.
فیزیکدانان مؤسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه هاروارد، ایالات متحده، که کار آنها در دو مقاله منتشر شده است1,2 in طبیعتگزارش داده‌اند که می‌توانند گرافن ماده را تنظیم کنند تا دو رفتار الکتریکی شدید را نشان دهند - به عنوان عایق که اجازه عبور جریان را نمی‌دهد و به عنوان یک ابررسانا که اجازه می‌دهد جریان بدون هیچ مقاومتی عبور کند. یک "ابر شبکه" از دو ورقه گرافن ایجاد شد که روی هم چیده شده بودند و کمی در یک "زاویه جادویی" 1.1 درجه چرخیده بودند. این آرایش الگوی لانه زنبوری شش ضلعی پوشاننده خاص به گونه ای انجام شد که به طور بالقوه "برهم کنش های همبسته قوی" بین الکترون های ورقه های گرافن را القا کند. و این اتفاق افتاد زیرا گرافن می‌توانست الکتریسیته را با مقاومت صفر در این «زاویه جادویی» هدایت کند، در حالی که هر آرایش انباشته دیگری گرافن را متمایز نگه می‌داشت و هیچ تعاملی با لایه‌های مجاور وجود نداشت. آنها راهی را نشان دادند که گرافن به تنهایی یک کیفیت ذاتی را برای هدایت فوق العاده به کار می برد. چرا این موضوع بسیار مرتبط است به این دلیل است که همان گروه قبلاً ابررسانای گرافن را با قرار دادن گرافن در تماس با سایر فلزات ابررسانا سنتز کرده بودند که به آن اجازه می‌داد برخی رفتارهای ابررسانا را به ارث ببرد، اما نمی‌توانست با گرافن به تنهایی دست یابد. این یک گزارش پیشگامانه است زیرا توانایی های رسانایی گرافن برای مدتی شناخته شده بود، اما این اولین بار است که ابررسانایی گرافن بدون تغییر یا افزودن مواد دیگر به آن به دست می آید. بنابراین، گرافن می تواند برای ساخت ترانزیستور مانند استفاده شود. دستگاهی در یک مدار ابررسانا و ابررسانایی بیان‌شده توسط گرافن می‌تواند در دستگاه‌های الکترونیکی مولکولی با قابلیت‌های جدید ادغام شود.
این ما را به همه صحبت‌ها در مورد ابررساناهای با دمای بالا باز می‌گرداند و اگرچه این سیستم هنوز باید تا دمای 1.7 درجه سانتیگراد خنک شود، تولید و استفاده از گرافن برای پروژه‌های بزرگ اکنون با بررسی ابررسانایی غیر متعارف آن قابل دستیابی به نظر می‌رسد. برخلاف ابررساناهای معمولی، فعالیت گرافن را نمی توان با نظریه اصلی ابررسانایی توضیح داد. چنین فعالیت غیر متعارفی در اکسیدهای مس پیچیده ای به نام کپرات ها دیده شده است که به عنوان رسانای الکتریسیته در دمای 133 درجه سانتیگراد شناخته شده است و برای چندین دهه کانون تحقیقات بوده است. اگرچه، بر خلاف این کاپرات ها، یک سیستم گرافن انباشته شده بسیار ساده است و مواد نیز بهتر درک می شود. اکنون گرافن به عنوان یک ابررسانا خالص کشف شده است، اما این ماده به خودی خود دارای قابلیت های برجسته بسیاری است که قبلاً شناخته شده بود. این کار راه را برای نقش قوی تر گرافن و توسعه ابررساناهایی با دمای بالا که سازگار با محیط زیست هستند و بیشتر هموار می کند. انرژی کارآمد و مهمتر از همه در دمای اتاق کار می کند و نیاز به خنک کننده گران قیمت را از بین می برد. این می تواند انتقال انرژی، آهنرباهای تحقیقاتی، دستگاه های پزشکی به ویژه اسکنرها را متحول کند و واقعاً می تواند نحوه انتقال انرژی در خانه ها و دفاتر ما را تغییر دهد.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
1. یوان سی و همکاران. 2018. رفتار عایق مرتبط در نیمه پر شدن در ابرشبکه های گرافن با زاویه جادویی. طبیعت. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. یوان سی و همکاران. 2018. ابررسانایی غیر متعارف در ابرشبکه های گرافن با زاویه جادویی. طبیعت. https://doi.org/10.1038/nature26160
