מחקר חדשני אחרון הראה את התכונות הייחודיות של גרפן חומרי לאפשרות ארוכת טווח לפתח סוף סוף מוליכי-על חסכוניים ומעשיים לשימוש.
A מוליך-על is a material which can conduct (transmit) חשמל without resistance. This resistance is defined as some loss of אנרגיה which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘טמפרטורה’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low אנרגיה state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
מוליכים בטמפרטורה גבוהה
תחום המוליכים עשה קפיצה גדולה באמצע שנות ה-1980 כאשר התגלתה תרכובת תחמוצת נחושת שיכולה להוביל ב-238 מעלות צלזיוס. זה עדיין קר, אבל הרבה יותר חם מטמפרטורות הליום נוזלי. זה היה ידוע בתור "מוליך העל בטמפרטורה גבוהה" (HTC) הראשון שהתגלה אי פעם, וזכה בפרס נובל, למרות שהוא "גבוה" רק במובן יחסי גדול יותר. לכן, עלה בדעתם של המדענים שהם יכולים להתמקד בסופו של דבר במציאת מוליכים שפועלים, נניח עם חנקן נוזלי (-196 מעלות צלזיוס) עם היתרון שהוא זמין בשפע והוא גם זול. למוליכים בטמפרטורה גבוהה יש גם יישומים שבהם נדרשים שדות מגנטיים גבוהים מאוד. מקביליהם בטמפרטורה נמוכה מפסיקים לעבוד בסביבות 23 טסלות (טסלה היא יחידה של חוזק שדה מגנטי) כך שלא ניתן להשתמש בהם לייצור מגנטים חזקים יותר. אבל חומרים מוליכים בטמפרטורה גבוהה יכולים לעבוד יותר מפי שניים מהשדה הזה, וסביר להניח שאפילו יותר. מאחר שמוליכי-על יוצרים שדות מגנטיים גדולים הם מרכיב חיוני בסורקים וברכבות מרחפות. לדוגמה, ה-MRI כיום (הדמיית תהודה מגנטית) היא טכניקה המשתמשת באיכות זו כדי להסתכל וללמוד חומרים, מחלות ומולקולות מורכבות בגוף. יישומים אחרים כוללים אחסון חשמל בקנה מידה רשת באמצעות קווי חשמל חסכוניים באנרגיה (לדוגמה, כבלים מוליכים יכולים לספק פי 10 כוח מאשר חוטי קופר באותו גודל), גנרטורים של כוח רוח וגם מחשבי-על. המכשירים המסוגלים לאחסן ניתן ליצור אנרגיה למיליוני שנים באמצעות מוליכים.
למוליכי העל הנוכחיים בטמפרטורה גבוהה יש מגבלות ואתגרים משלהם. מלבד היותם יקרים מאוד בגלל הצורך במכשיר קירור, מוליכים אלו עשויים מחומרים שבירים ואינם קלים לעיצוב ולכן לא ניתן להשתמש בהם לייצור חוטי חשמל. החומר גם עשוי להיות לא יציב מבחינה כימית בסביבות מסוימות ורגיש ביותר לזיהומים מהאטמוספרה והמים ולכן יש לכלול אותו באופן כללי. אז יש רק זרם מקסימלי שחומרים מוליכים יכולים לשאת ומעל צפיפות זרם קריטית, מוליכות-על מתפרקת ומגבילה את הזרם. עלויות עצומות ואי-מעשיות מעכבות את השימוש במוליכי-על טובים במיוחד במדינות מתפתחות. המהנדסים, בדמיונם, באמת היו רוצים מוליך-על רך, ניתן לגיבוש, פרומגנטי, אשר אטום לזיהומים או לשדות זרם ושדות מגנטיים. יותר מדי לבקש!
גרפן יכול להיות זה!
הקריטריון המרכזי של מוליך-על מוצלח הוא למצוא טמפרטורה גבוהה מוליך עלr, התרחיש האידיאלי הוא טמפרטורת החדר. עם זאת, חומרים חדשים יותר עדיין מוגבלים והם מאוד מאתגרים להכנה. עדיין יש למידה מתמשכת בתחום זה על המתודולוגיה המדויקת של מוליכים בטמפרטורות גבוהות אלה ואיך מדענים יכולים להגיע לעיצוב חדש שהוא מעשי. אחד ההיבטים המאתגרים במוליכי-על בטמפרטורות גבוהות הוא שלא מבינים היטב מה באמת עוזר לאלקטרונים בחומר להתאים. במחקר שנערך לאחרונה הוכח לראשונה כי החומר גרפן בעל איכות מוליכת-על מהותית ואנו יכולים באמת ליצור מוליך-על גרפן במצב הטבעי של החומר עצמו. גרפן, חומר מבוסס פחמן בלבד, התגלה רק בשנת 2004 והוא החומר הדק ביותר הידוע. הוא גם קל וגמיש כאשר כל יריעה מורכבת מאטומי פחמן המסודרים בצורה משושה. רואים שהוא חזק יותר מפלדה והוא מבטא מוליכות חשמלית הרבה יותר טובה בהשוואה לנחושת. לפיכך, זהו חומר רב מימדי עם כל התכונות המבטיחות הללו.
פיזיקאים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ובאוניברסיטת הרווארד, ארה"ב, שעבודתם מתפרסמת בשני מאמרים1,2 in טבע, דיווחו שהם מסוגלים לכוון את החומר הגרפן כדי להראות שתי התנהגות חשמלית קיצונית - כמבודד שבו הוא אינו מאפשר לשום זרם לעבור וכמוליך-על בו הוא מאפשר לזרם לעבור ללא כל התנגדות. נוצר "סריג-על" של שני גיליונות גרפן, מוערמים יחדיו מסובבים מעט ב"זווית קסם" של 1.1 מעלות. סידור דפוס חלת דבש משושה במיוחד זה נעשה כדי לגרום ל"אינטראקציות בקורלציה חזקות" בין האלקטרונים ביריעות הגרפן. וזה אכן קרה מכיוון שגרפן יכול היה להוליך חשמל בהתנגדות אפסית ב"זווית הקסם" הזו בעוד שכל סידור מוערם אחר שמר על גרפן בצורה מובחנת ולא הייתה אינטראקציה עם השכבות השכנות. הם הראו דרך לגרום לגרפן לאמץ איכות מהותית להתנהלות על בעצמה. הסיבה לכך שזה רלוונטי ביותר היא כי אותה קבוצה סינתזה בעבר מוליכי-על של גרפן על-ידי הצבת גרפן במגע עם מתכות מוליכות-על אחרות, מה שאפשר לו לרשת כמה התנהגויות מוליכות-על, אך לא יכלה להשיג זאת עם גרפן בלבד. זהו דוח פורץ דרך מכיוון שיכולות המוליכות של הגרפן היו ידועות מזה זמן מה, אבל זו הפעם הראשונה אי פעם שהמוליכות העל של הגרפן הושגה מבלי לשנות או להוסיף לה חומרים אחרים. לפיכך, ניתן להשתמש בגרפן לייצור דמוי טרנזיסטור ניתן לשלב מכשיר במעגל מוליך-על והמוליכות המתבטאת על-ידי גרפן בהתקנים אלקטרוניים מולקולריים בעלי פונקציונליות חדשה.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more אנרגיה efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
1. Yuan C et al. 2018. התנהגות מבודדת בקורלציה בחצי מילוי בסריגי גרפן עם זווית קסם. טֶבַע. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. מוליכות-על לא שגרתית בסריגי-על של גרפן עם זווית קסם. טֶבַע. https://doi.org/10.1038/nature26160
