最近の画期的な研究により、経済的で実用的な超伝導体の開発に役立つグラフェンの独自の特性が明らかになりました。
A 超伝導体 伝導（伝達）できる物質です 電気 抵抗なく。この抵抗は、何らかの損失として定義されます。 エネルギー プロセス中に発生します。したがって、特定の「温度」で電気を伝導できる場合、どんな物質でも超伝導になります。温度熱、音、その他のエネルギーを放出することなく、その状態を維持します。超電導体は効率が 100% ですが、ほとんどの材料は非常に低い温度にする必要があります。 エネルギー 超伝導状態になるためには、非常に低温でなければなりません。ほとんどの超電導体は、液体ヘリウムを使用して摂氏約 -270 度の非常に低い温度まで冷却する必要があります。したがって、超電導用途は通常、何らかの能動または受動的な極低温冷却と組み合わせられます。この冷却手順自体に過剰なエネルギーが必要であり、液体ヘリウムは非常に高価であるだけでなく、再生不可能でもあります。したがって、ほとんどの従来の超伝導体または「低温」超伝導体は非効率であり、限界があり、非経済的で高価であり、大規模な使用には非現実的です。
高温超伝導体
超電導体の分野は、摂氏-1980度で超電導できる酸化銅化合物が発見された238年代半ばに大きな飛躍を遂げました。 これはまだ冷たいですが、液体ヘリウムの温度よりもはるかに暖かいです。 これは、これまでに発見された最初の「高温超伝導体」（HTC）として知られており、ノーベル賞を受賞しました。 したがって、科学者たちは、最終的には機能する超伝導体を見つけることに集中できることに気づきました。たとえば、液体窒素（-196°C）が豊富にあり、安価であるという利点があります。 高温超伝導体には、非常に高い磁場が必要な用途もあります。 それらの低温対応物は約23テスラ（テスラは磁場強度の単位）で動作を停止するため、より強力な磁石を作成するために使用することはできません。 しかし、高温超電導材料は、そのフィールドの10倍以上、おそらくそれ以上で機能する可能性があります。 超伝導体は大きな磁場を生成するため、スキャナーや空中浮揚列車に不可欠なコンポーネントです。 たとえば、今日のMRI（Magnetic Resonance Imaging）は、この品質を使用して、体内の物質、病気、および複雑な分子を調べて研究する手法です。 他のアプリケーションには、エネルギー効率の高い電力線（たとえば、超伝導ケーブルは同じサイズのクーパーワイヤーのXNUMX倍の電力を供給できます）、風力発電機、およびスーパーコンピューターを備えたグリッドスケールの電力貯蔵が含まれます。何百万年ものエネルギーは、超伝導体で作り出すことができます。
現在の高温超伝導体には、独自の限界と課題があります。 これらの超電導体は、冷却装置が必要なため非常に高価であるだけでなく、脆い材料でできており、成形が容易ではないため、電線の製造には使用できません。 また、この材料は特定の環境では化学的に不安定であり、大気や水からの不純物に非常に敏感である可能性があるため、通常はケースに入れる必要があります。 その場合、超電導材料が流すことができる最大電流のみが存在し、臨界電流密度を超えると、超電導が崩壊して電流が制限されます。 莫大な費用と非実用性が、特に発展途上国での優れた超伝導体の使用を妨げています。 エンジニアは、想像の中で、不純物や印加電流および磁場の影響を受けない、柔らかく、可鍛性のある強磁性超伝導体を本当に望んでいます。 頼むには多すぎる！
グラフェンはそれかもしれません！
成功する超伝導体の中心的な基準は、高温を見つけることです 超伝導r、理想的なシナリオは室温です。 ただし、新しい材料はまだ限られており、作成するのは非常に困難です。 この分野では、これらの高温超伝導体が採用する正確な方法論と、科学者が実用的な新しい設計に到達する方法について、まだ継続的な学習が行われています。 高温超伝導体の挑戦的な側面のXNUMXつは、材料内の電子が対になるのを実際に助けるものが非常によく理解されていないことです。 最近の研究では、その材料が初めて示されました グラフェン 本質的な超電導品質を持っており、材料自体の自然な状態でグラフェン超電導体を実際に作ることができます。 純粋な炭素ベースの材料であるグラフェンは、2004年にのみ発見され、既知の最も薄い材料です。 また、軽量で柔軟性があり、各シートは六角形に配置された炭素原子で構成されています。 鋼よりも強度が高く、銅に比べてはるかに優れた電気伝導率を示します。 したがって、それはこれらすべての有望な特性を備えた多次元材料です。
マサチューセッツ工科大学と米国ハーバード大学の物理学者。その研究はXNUMXつの論文で発表されています。1,2 in 自然は、材料のグラフェンを調整して、電流を流さない絶縁体と、抵抗なしで電流を流す超伝導体の1.1つの極端な電気的挙動を示すことができると報告しています。 XNUMX枚のグラフェンシートの「超格子」を、XNUMX度の「マジック角」でわずかに回転させて積み重ねて作成しました。 この特定のオーバーレイ六角形ハニカムパターン配置は、グラフェンシート内の電子間に「強相関相互作用」を潜在的に誘発するために行われました。 そしてこれは、グラフェンがこの「魔法の角度」で抵抗ゼロで電気を伝導できる一方で、他の積み重ねられた配置ではグラフェンを明確に保ち、隣接する層との相互作用がなかったために起こりました。 彼らは、グラフェンがそれ自体で超伝導するために固有の品質を採用する方法を示しました。 これが非常に重要である理由は、同じグループが以前にグラフェンを他の超伝導金属と接触させてグラフェン超伝導体を合成し、いくつかの超伝導挙動を継承できるようにしたが、グラフェンだけでは達成できなかったためです。 グラフェンの導電性は古くから知られているが、他の材料を変えたり加えたりせずにグラフェンの超電導を実現したのは初めての画期的な報告であり、グラフェンを使ってトランジスタのようなものを作ることができた。超電導回路内のデバイスとグラフェンによって表される超電導は、新しい機能を備えた分子電子デバイスに組み込むことができます。
ここで高温超伝導体に関するすべての話に戻りますが、このシステムはまだ摂氏 1.7 度まで冷却する必要がありましたが、その型破りな超伝導性を調査することで、大規模プロジェクトでのグラフェンの製造と使用が現在では達成可能であるように見えます。従来の超伝導体とは異なり、グラフェンの活性は主流の超伝導理論では説明できません。このような型破りな活性は、摂氏 133 度までの温度で電気を通すことが知られている銅酸化物と呼ばれる複合銅酸化物で観察されており、数十年にわたり研究の焦点となってきました。ただし、これらの銅酸化物とは異なり、積層グラフェン系は非常に単純であり、材料についてもよく理解されています。グラフェンが純粋な超伝導体として発見されたのは今になって初めてですが、この材料自体には、これまで知られていた多くの優れた機能があります。この研究は、グラフェンのより強力な役割と環境に優しい高温超伝導体の開発への道を開きます。 エネルギー 効率的であり、最も重要なのは室温で機能するため、高価な冷却が不要になります。これはエネルギー伝達、研究用磁石、医療機器、特にスキャナーに革命をもたらし、家庭やオフィスでのエネルギー伝達方法を根本から見直す可能性があります。
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ソース
1.元C他2018.マジック角グラフェン超格子の半充填時の相関絶縁体の挙動。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26154
2.元C他。 2018.マジック角グラフェン超格子における型破りな超伝導。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26160
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