Dodano: 16 październik 2020r.

Naukowcy opracowali pierwszy nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej

Od lat naukowcy pracują nad wytworzeniem materiału nadprzewodzącego, którego właściwości będzie można wykorzystać w temperaturze pokojowej. Ich praca wreszcie przyniosła efekty, co może zrewolucjonizować świat, jaki znamy.

Naukowcy opracowali pierwszy nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej

 

Przy wykorzystaniu tradycyjnych metod przesyłania energii elektrycznej, występują straty wynikające z oporu w przewodach. Ten problem znika w przypadku nadprzewodników – czyli materiałów umożliwiających przesyłanie energii bez żadnych strat. Nauka zna i wykorzystuje wiele nadprzewodników, jednak jest jeden poważny problem: działają one tylko w bardzo niskich temperaturach, sięgających minus kilkuset stopni Celsjusza.

Inżynierowie i fizycy z Uniwersytetu w Rochester po raz pierwszy stworzyli materiał, który jest nadprzewodnikiem działającym w temperaturze pokojowej. Okazuje się, że podobne właściwości może wykazywać wodór połączony pod bardzo wysokim ciśnieniem z innymi prostymi pierwiastkami.

Przełomowe badania są tematem okładkowym najnowszego numeru prestiżowego czasopisma „Nature”. Przeprowadził je fizyk Ranga Dias z Uniwersytetu Rochester. Naukowiec przekonuje, że stworzenie materiałów nadprzewodnikowych, zachowujących swoje właściwości fizyczne w temperaturze pokojowej jest „świętym graalem” fizyki materii skondensowanej. - Takie materiały mogą zdecydowanie zmienić świat, jaki znamy - mówi Dias.

Wodór, węgiel, siarka i ogromne ciśnienie

Dias wraz z zespołem połączyli atomy wodoru, węgla i siarki pod ogromnym ciśnieniem. Materiał, który uzyskali okazał się nadprzewodnikiem, który zadziałał w temperaturze 14,4 stopnia Celsjusza. Niestety, opracowany materiał wykazuje właściwości nadprzewodzące przy gigantycznym ciśnieniu około 27 tys. MPa (39 milionów PSI). Mimo to jest to pierwszy raz w historii, kiedy materiał nadprzewodzący został zaobserwowany w temperaturze pokojowej.

- Ze względu na bardzo niską temperaturę działania, znane już od lat nadprzewodniki nie zmieniły świata w znaczący sposób. Nasze odkrycie może pomóc w przełamaniu bariery temperatury i otworzyć drzwi do bardzo wielu potencjalnych zastosowań nadprzewodników – przekonuje Dias.

Nadprzewodniki znajdą zastosowanie m.in. w energetyce, gdzie mogą ograniczyć straty energii spowodowane oporem w przewodach, szacowane nawet na 200 milionów MWh. Dzięki tego typu materiałom możliwy będzie rozwój nowych form transportu, w tym lewitujących pociągów, nowych urządzeń wykorzystywanych w medycynie, takich jak rezonans magnetyczny czy magnetokardiografia. Nadprzewodniki znajdą też zastosowanie w elektronice i rozwoju najnowocześniejszych technologii przechowywania danych.

- Żyjemy w czasach półprzewodników, a dzięki nowej technologii nasze społeczeństwo stanie się nadprzewodnikowe. Wyobraźmy sobie świat, w którym już nikt nigdy nie będzie potrzebował takich rzeczy jak na przykład baterie - mówi współautor badań Ashkan Salamat z Uniwersytetu Nevada w Las Vegas.

Ilość wyprodukowanego nadprzewodnika jest minimalna, mierzona w pikolitrach (bilionowe części litra), czyli mniej więcej pojedynczej cząsteczki. Stąd kolejne wyzwanie dla naukowców. Muszą oni znaleźć sposób na wyprodukowanie większej ilości podobnego nadprzewodnika przy zdecydowanie niższym ciśnieniu, które na powierzchni Ziemi wynosi ok. 1000 hPa (15 PSI).

Kluczowe znaczenie temperatury

Odkryte po raz pierwszy w 1911 r. nadprzewodnictwo daje materiałom dwie kluczowe właściwości: brak oporu (rezystancji) przy przewodzeniu prądu oraz zanik (wypychanie) pola elektromagnetycznego w nadprzewodniku, nazywane efektem Meissnera. Linie pola magnetycznego muszą przechodzić wokół nadprzewodnika, co umożliwia lewitowanie podobnych materiałów. Z powyższych względów nadprzewodniki są już stosowane w pociągach dużych prędkości, wykorzystujących technologię maglev (lewitacji magnetycznej), maszynach do obrazowania magnetycznego, akceleratorach cząstek, czy wczesnych superkomputerach kwantowych.

Materiały wykorzystywane w powyższych urządzeniach działają tylko w bardzo niskich temperaturach, dużo niższych od naturalnie występujących na Ziemi. Sprawia to, że technologia jest bardzo kosztowna, co znacznie ogranicza jej zastosowanie.

Wcześniej najwyższą temperaturę dla materiału nadprzewodzącego osiągnął związek lantantu i wodoru. W 2019 roku naukowcy z Instytutu Maxa Plancka w Moguncji oraz Uniwersytetu Illinois w Chicago uzyskali nadprzewodnik działający w temperaturze na poziomie od minus 23 stopni C. do minus 13 stopni.

Naukowcy zidentyfikowali również tlenki miedzi i związki chemiczne na bazie żelaza jako potencjalne nadprzewodniki zdolne do działania w temperaturze pokojowej. Jednak wodór jest pierwiastkiem występującym na tyle powszechnie, że jego wykorzystanie mogłoby okazać się po prostu tanie.

Wprowadzenie czystego wodoru do metali wymaga niezwykle wysokiego ciśnienia, które po raz pierwszy wytworzono w laboratorium Uniwersytetu Harvarda w 2017 roku. Dias zaczął zatem testować różne kombinacje połączenia wodoru z metalami, w tym itrem, węglem czy siarką.

Badania doprowadziły do powstania nowego połączenia minerałów, które wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Dias przekonuje, że dalsze prace nad tą kombinacją pierwiastków mogą być kluczem do wynalezienia taniego materiału, którego zastosowanie będzie możliwe w jeszcze wyższych temperaturach.

 

Źródło: University of Rochester, fot. Adam Fenster