Naukowcy opracowują pionierskie projekty nowych materiałów, które mogą przybliżyć do rzeczywistości marzenie o nadprzewodnictwie w temperaturze pokojowej.
Nadprzewodniki zazwyczaj wymagają do działania wyjątkowo niskich temperatur, ale te nowe konstrukcje mogą działać w znacznie wyższych temperaturach, nawet otoczenia, co znacznie poszerza ich praktyczne zastosowania.
Pionierskie materiały do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej
Nowe materiały zaprojektowane przez absolwenta Uniwersytetu Illinois w Chicago mogą pomóc naukowcom sprostać jednemu z największych wyzwań współczesnego świata: zbudowaniu nadprzewodników działających w normalnych temperaturach i ciśnieniach.
Nadprzewodniki są szeroko stosowane w codziennych zastosowaniach, od maszyn MRI po przenoszenie mocy. Aby jednak zadziałały, muszą zostać schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur, co ogranicza ich potencjał. Naukowcy na całym świecie poszukują materiałów, które mogłyby wykazywać nadprzewodnictwo w „bardzo wysokich” temperaturach – w tym kontekście bliższych temperaturze pokojowej – bez konieczności przechłodzenia.
Obiecujące nowe projekty nadprzewodników
W artykule dla Postępowanie Narodowej Akademii NaukAdam Denchfield i zespół naukowców z UIC zaproponowali trzy obiecujące nowe projekty materiałów nadprzewodzących. W symulacjach komputerowych projekty wykazują niektóre właściwości potrzebne do nadprzewodnictwa w bardzo wysokich temperaturach.
Hyowon Park, profesor fizyki i Russell Hemley, profesor fizyki i chemii, są współautorami artykułu wraz z Denchfieldem, doktorantem fizyki na UIC.
Przez dziesięciolecia naukowcy poszukiwali materiałów, które umożliwiłyby nadprzewodnictwo – bezstratną transmisję energii elektrycznej – w wyższych temperaturach, takich jak temperatura pokojowa. Umożliwiłoby to zastosowanie nadprzewodników w zaawansowanych sieciach elektroenergetycznych, wydajniejszych silnikach elektrycznych i bardziej zaawansowanych pociągach lewitowanych magnetycznie.
Kontrowersje i inspiracje dotyczące lutetu
W 2023 roku grupa naukowców opublikowała kontrowersyjny artykuł na temat materiału nadprzewodzącego zawierającego pierwiastek ziem rzadkich zwany lutetem, który działa w temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia i pod ciśnieniem powietrza. Kontrowersje zainspirowały Denchfielda do zbadania wcześniejszej literatury na temat rodzaju opisywanego przez nich materiału, zwanego trójwodorkami metali ziem rzadkich.
„Przyjrzałem się wynikom i byłem tak samo sceptyczny, jak wiele innych osób w tej dziedzinie” – powiedział Denchfield. „Zacząłem więc przeglądać literaturę w poszukiwaniu alternatywnych wyjaśnień i znalazłem badania z końca lat 60. XX wieku dotyczące trójwodników metali ziem rzadkich”.
Te starsze badania wykazały bardzo dziwne zmiany w przewodności elektrycznej materiałów po ochłodzeniu, które nadal nie są w pełni poznane. Denchfield odkrył, że specjalne ułożenie atomów lutetu w połączeniu z wodorem i azotem może spowodować, że materiał będzie wykazywał intrygujące właściwości, w tym nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe.
Jego badania ostatecznie doprowadziły do artykuł na temat obiecującego związku lutetu, wodoru i azotu oraz wyniki eksperymentów, które były zgodne z nadprzewodnictwem. Prace grupy Hemleya zostały omówione w New York Timesa.
Wyjście poza lutet: nowe potencjalne struktury
Ale Denchfield na tym nie poprzestał. Zaczął badać, czy inne kombinacje i struktury wodorków metali ziem rzadkich, takie jak zastąpienie lutetu jego kuzynami z układu okresowego, itrem i skandem, mogłyby działać jeszcze lepiej. Mając na celu maksymalne zwiększenie temperatury nadprzewodnictwa, zdecydował się na trzy typy struktur sześciennych, które mogłyby uzyskać pożądane właściwości w symulacjach.
„Zasadniczo przedstawiliśmy trzy szablonowe struktury o rosnącej złożoności, z których chcemy, aby inni ludzie mogli je brać i bawić się, podłączać i odtwarzać różne elementy” – powiedział Denchfield. „Opisałbym to jako artykuł odkrywczy, pracę motywacyjną i inspirującą, która powinna zainspirować poszukiwania zupełnie nowej klasy struktur, które mogłyby być nadprzewodnikami bardzo wysokotemperaturowymi”.
Projekty materiałów opisane w artykule osiągają temperaturę krytyczną – punkt, w którym pojawiają się właściwości nadprzewodzące – powyżej 200 stopni Kelvina, co w przybliżeniu odpowiada -100 stopniom Fahrenheita. Denchfield powiedział, że w niektórych projektach można osiągnąć „świętego Graala” nadprzewodnictwa przy ciśnieniu otoczenia i temperaturze pokojowej. Aby zweryfikować przewidywania, materiały według nowych projektów będą musiały zostać zsyntetyzowane w laboratorium i przetestowane.
Droga przed nadprzewodnictwem w temperaturze pokojowej
„Nowe badanie prowadzone przez Adama opiera się na wcześniejszych osiągnięciach naszej grupy: odkryciu pierwszego nadprzewodnika o temperaturze bliskiej pokojowej w innym wodorku pierwiastka ziem rzadkich pod ciśnieniem, a następnie kuszących dowodach na podobne nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w polimerze na bazie lutetu materiału” – powiedział Hemley. „Perspektywy nowych klas powiązanych materiałów o różnym składzie to najnowszy rozdział w naszych ekscytujących wysiłkach na rzecz odkrycia i stworzenia nowych materiałów, które pewnego dnia mogą zrewolucjonizować technologie energetyczne”.
Odniesienie: „Projektowanie wodorków wieloskładnikowych o potencjalnie wysokiej zawartości TC nadprzewodnictwo” Adama Denchfielda, Hyowon Park i Russella J. Hemleya, 1 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2413096121
