Eine kürzlich durchgeführte bahnbrechende Studie hat die einzigartigen Eigenschaften des Materials Graphen für eine langfristige Möglichkeit gezeigt, endlich wirtschaftliche und praxistaugliche Supraleiter zu entwickeln.
A Supraleiter ist ein Material, das Strom ohne Widerstand leiten (übertragen) kann. Dieser Widerstand wird als ein gewisser Energieverlust definiert, der während des Prozesses auftritt. Jedes Material wird also supraleitend, wenn es in der Lage ist, bei dieser bestimmten „Temperatur“ oder Bedingung Elektrizität zu leiten, ohne Wärme, Schall oder jede andere Form von Energie freizusetzen. Supraleiter sind 100 Prozent effizient, aber die meisten Materialien müssen in einem extrem niedrigen Energiezustand sein, um supraleitend zu werden, was bedeutet, dass sie sehr kalt sein müssen. Die meisten Supraleiter müssen mit flüssigem Helium auf sehr tiefe Temperaturen von etwa -270 Grad Celsius gekühlt werden. Somit ist jede supraleitende Anwendung im Allgemeinen mit einer Art aktiver oder passiver Tieftemperatur-/Tieftemperaturkühlung gekoppelt. Dieser Kühlvorgang erfordert an sich schon zu viel Energie und flüssiges Helium ist nicht nur sehr teuer, sondern auch nicht erneuerbar. Daher sind die meisten konventionellen oder "Niedertemperatur"-Supraleiter ineffizient, haben ihre Grenzen, sind unwirtschaftlich, teuer und für den Einsatz im großen Maßstab unpraktisch.
Hochtemperatur-Supraleiter
Einen großen Sprung machte das Gebiet der Supraleiter Mitte der 1980er Jahre, als eine Kupferoxidverbindung entdeckt wurde, die bei -238 Grad Celsius supraleitend war. Dies ist immer noch kalt, aber viel wärmer als die Temperaturen von flüssigem Helium. Dieser war als der erste jemals entdeckte „Hochtemperatur-Supraleiter“ (HTC) bekannt und gewann den Nobelpreis, wenn auch nur in einem größeren relativen Sinne „hoch“. Daher kam den Wissenschaftlern der Gedanke, dass sie sich darauf konzentrieren könnten, Supraleiter zu finden, die funktionieren, sagen wir mit flüssigem Stickstoff (-196 ° C), der den Vorteil hat, dass er reichlich verfügbar und auch billig ist. Hochtemperatur-Supraleiter finden auch dort Anwendung, wo sehr hohe Magnetfelder erforderlich sind. Ihre Gegenstücke bei niedrigen Temperaturen hören bei etwa 23 Tesla auf zu arbeiten (Tesla ist eine Einheit für die magnetische Feldstärke), sodass sie nicht verwendet werden können, um stärkere Magnete herzustellen. Aber Hochtemperatur-Supraleitermaterialien können bei mehr als dem Doppelten dieses Feldes arbeiten und wahrscheinlich sogar noch höher. Da Supraleiter große Magnetfelder erzeugen, sind sie ein wesentlicher Bestandteil in Scannern und Schwebezügen. So ist beispielsweise die MRT heute (Magnetic Resonance Imaging) eine Technik, die diese Qualität nutzt, um Materialien, Krankheiten und komplexe Moleküle im Körper zu betrachten und zu untersuchen. Andere Anwendungen umfassen die Speicherung von Strom im Netzmaßstab durch energieeffiziente Stromleitungen (z. B. können supraleitende Kabel 10 Mal so viel Strom liefern wie Kupferdrähte gleicher Größe), Windkraftgeneratoren und auch Supercomputer. Die Geräte, die in der Lage sind, zu speichern Mit Supraleitern kann Energie für Millionen von Jahren erzeugt werden.
Die aktuellen Hochtemperatur-Supraleiter haben ihre eigenen Grenzen und Herausforderungen. Abgesehen davon, dass sie sehr teuer sind, weil eine Kühlvorrichtung erforderlich ist, bestehen diese Supraleiter aus spröden Materialien und sind nicht leicht zu formen und können daher nicht zur Herstellung elektrischer Drähte verwendet werden. Das Material kann in bestimmten Umgebungen auch chemisch instabil und extrem empfindlich gegenüber Verunreinigungen aus der Atmosphäre und Wasser sein und muss daher im Allgemeinen umhüllt werden. Dann gibt es nur einen maximalen Strom, den supraleitende Materialien tragen können und oberhalb einer kritischen Stromdichte bricht die Supraleitung zusammen und begrenzt den Strom. Enorme Kosten und Unpraktiken behindern den Einsatz guter Supraleiter insbesondere in Entwicklungsländern. Die Ingenieure wünschen sich in ihrer Vorstellung wirklich einen weichen, formbaren, ferromagnetischen Supraleiter, der unempfindlich gegen Verunreinigungen oder angelegte Ströme und Magnetfelder ist. Zu viel verlangt!
Graphen könnte es sein!
Das zentrale Kriterium für einen erfolgreichen Supraleiter ist das Auffinden einer hohen Temperatur Supraleitungr, das ideale Szenario ist Raumtemperatur. Neuere Materialien sind jedoch immer noch begrenzt und sehr schwierig herzustellen. Auf diesem Gebiet gibt es immer noch kontinuierliches Lernen über die genaue Methodik dieser Hochtemperatur-Supraleiter und wie Wissenschaftler zu einem neuen, praktikablen Design gelangen könnten. Einer der herausfordernden Aspekte bei Hochtemperatur-Supraleitern besteht darin, dass sehr wenig verstanden wird, was den Elektronen in einem Material wirklich hilft, sich zu paaren. In einer aktuellen Studie wurde erstmals gezeigt, dass das Material Graphen hat intrinsische supraleitende Qualität und wir können wirklich einen Graphen-Supraleiter im natürlichen Zustand des Materials herstellen. Graphen, ein rein kohlenstoffbasiertes Material, wurde erst 2004 entdeckt und ist das dünnste bekannte Material. Es ist auch leicht und flexibel, da jedes Blatt aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Es ist fester als Stahl und weist im Vergleich zu Kupfer eine viel bessere elektrische Leitfähigkeit auf. Somit ist es ein mehrdimensionales Material mit all diesen vielversprechenden Eigenschaften.
Physiker des Massachusetts Institute of Technology und der Harvard University, USA, deren Arbeit in zwei Artikeln veröffentlicht wurde1,2 in Natur, haben berichtet, dass sie in der Lage sind, das Material Graphen so abzustimmen, dass es zwei extreme elektrische Verhaltensweisen zeigt – als Isolator, in dem es keinen Strom durchlässt, und als Supraleiter, in dem es Strom ohne Widerstand durchlässt. Es entstand ein „Übergitter“ aus zwei Graphenschichten, die übereinander gestapelt und leicht in einem „magischen Winkel“ von 1.1 Grad gedreht wurden. Diese besondere übereinanderliegende hexagonale Wabenmusteranordnung wurde durchgeführt, um möglicherweise „stark korrelierte Wechselwirkungen“ zwischen den Elektronen in den Graphenschichten zu induzieren. Und dies geschah, weil Graphen in diesem „magischen Winkel“ Elektrizität widerstandslos leiten konnte, während jede andere gestapelte Anordnung Graphen so unterschiedlich hielt und es keine Wechselwirkung mit den benachbarten Schichten gab. Sie zeigten einen Weg, Graphen dazu zu bringen, eine intrinsische Eigenschaft der Superleitung anzunehmen. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil dieselbe Gruppe zuvor Graphen-Supraleiter synthetisiert hatte, indem sie Graphen mit anderen supraleitenden Metallen in Kontakt brachte, was es ihm ermöglichte, einige supraleitende Verhaltensweisen zu erben, dies jedoch mit Graphen allein nicht möglich war. Dies ist ein bahnbrechender Bericht, da die leitfähigen Fähigkeiten von Graphen seit einiger Zeit bekannt sind, aber es ist das erste Mal überhaupt, dass die Supraleitfähigkeit von Graphen erreicht wurde, ohne andere Materialien zu ändern oder hinzuzufügen. Somit könnte Graphen verwendet werden, um einen Transistor herzustellen in einem supraleitenden Schaltkreis und die durch Graphen ausgedrückte Supraleitfähigkeit könnte in molekulare Elektronikgeräte mit neuartigen Funktionalitäten eingebaut werden.
Dies bringt uns zurück zu all dem Gerede über Hochtemperatur-Supraleiter und obwohl dieses System noch auf 1.7 Grad Celsius gekühlt werden musste, scheint die Herstellung und Verwendung von Graphen für große Projekte jetzt durch die Untersuchung seiner unkonventionellen Supraleitung erreichbar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Supraleitern kann die Aktivität von Graphen nicht durch die Mainstream-Theorie der Supraleitung erklärt werden. Eine solche unkonventionelle Aktivität wurde bei komplexen Kupferoxiden, den sogenannten Cupraten, beobachtet, von denen bekannt ist, dass sie bei bis zu 133 Grad Celsius Strom leiten, und stehen seit mehreren Jahrzehnten im Fokus der Forschung. Im Gegensatz zu diesen Cupraten ist ein gestapeltes Graphensystem jedoch recht einfach und das Material wird auch besser verstanden. Erst jetzt wurde Graphen als reiner Supraleiter entdeckt, aber das Material selbst hat viele herausragende Fähigkeiten, die bisher bekannt sind. Diese Arbeit ebnet den Weg für eine stärkere Rolle von Graphen und die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern, die umweltfreundlich und energieeffizienter sind und vor allem bei Raumtemperatur funktionieren und teure Kühlung überflüssig machen. Dies könnte die Energieübertragung, Forschungsmagnete, medizinische Geräte, insbesondere Scanner, revolutionieren und die Energieübertragung in unseren Häusern und Büros grundlegend verändern.
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Quelle (n)
1. YuanC et al. 2018. Korreliertes Isolatorverhalten bei Halbfüllung in Graphen-Übergittern mit magischem Winkel. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. YuanC et al. 2018. Unkonventionelle Supraleitung in Graphen-Übergittern mit magischem Winkel. Natur. https://doi.org/10.1038/nature26160
