أظهرت دراسة رائدة حديثة الخصائص الفريدة لمادة الجرافين لإمكانية طويلة الأمد لتطوير موصلات فائقة اقتصادية وعملية الاستخدام.
A موصل فائق هي مادة يمكنها إجراء (نقل) كهرباء بدون مقاومة. يتم تعريف هذه المقاومة على أنها بعض الخسارة طاقة الذي يحدث أثناء العملية. لذلك، تصبح أي مادة فائقة التوصيل عندما تكون قادرة على توصيل الكهرباء، عند هذا الحد بالذات.درجة الحرارةأو حالة دون إطلاق حرارة أو صوت أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة. تتميز الموصلات الفائقة بكفاءة بنسبة 100 بالمائة، لكن معظم المواد تتطلب أن تكون في مستوى منخفض للغاية طاقة لكي تصبح فائقة التوصيل، مما يعني أنها يجب أن تكون باردة جدًا. تحتاج معظم الموصلات الفائقة إلى التبريد باستخدام الهيليوم السائل إلى درجة حرارة منخفضة جدًا تبلغ حوالي -270 درجة مئوية. وبالتالي فإن أي تطبيق فائق التوصيل يقترن عمومًا بنوع من التبريد المبرد/درجة الحرارة المنخفضة النشط أو السلبي. يتطلب إجراء التبريد هذا قدرًا كبيرًا من الطاقة في حد ذاته، والهيليوم السائل ليس مكلفًا للغاية فحسب، بل أيضًا غير متجدد. ولذلك، فإن معظم الموصلات الفائقة التقليدية أو "منخفضة الحرارة" غير فعالة، ولها حدودها، وغير اقتصادية، ومكلفة، وغير عملية للاستخدام على نطاق واسع.
موصلات فائقة عالية الحرارة
حقق مجال الموصلات الفائقة قفزة كبيرة في منتصف الثمانينيات عندما تم اكتشاف مركب أكسيد النحاس الذي يمكنه التوصيل الفائق عند -1980 درجة مئوية. لا يزال هذا باردًا ، لكنه أكثر دفئًا من درجات حرارة الهيليوم السائل. كان هذا معروفًا باسم أول "موصل فائق عالي الحرارة" (HTC) تم اكتشافه على الإطلاق ، وحاز على جائزة نوبل ، على الرغم من أنه "مرتفع" فقط بالمعنى النسبي الأكبر. لذلك ، خطر للعلماء أنهم يستطيعون التركيز في النهاية على إيجاد موصلات فائقة تعمل ، دعنا نقول مع وجود النيتروجين السائل (-238 درجة مئوية) الذي يتمتع بميزة توفره بكثرة ورخيصة أيضًا. تحتوي الموصلات الفائقة عالية الحرارة أيضًا على تطبيقات تتطلب مجالات مغناطيسية عالية جدًا. يتوقف نظرائهم من ذوي الحرارة المنخفضة عن العمل عند حوالي 196 تسلا (تسلا هي وحدة لقوة المجال المغناطيسي) لذلك لا يمكن استخدامها لصنع مغناطيس أقوى. لكن المواد فائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية يمكن أن تعمل في أكثر من ضعف هذا المجال ، وربما أعلى من ذلك. نظرًا لأن الموصلات الفائقة تولد مجالات مغناطيسية كبيرة فهي مكون أساسي في الماسحات الضوئية وقطارات التحليق. على سبيل المثال ، التصوير بالرنين المغناطيسي اليوم (التصوير بالرنين المغناطيسي) هو تقنية تستخدم هذه الجودة للنظر في المواد والأمراض والجزيئات المعقدة في الجسم ودراستها. تشمل التطبيقات الأخرى تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة من خلال وجود خطوط طاقة موفرة للطاقة (على سبيل المثال ، يمكن أن توفر الكابلات فائقة التوصيل طاقة 23 أضعاف الطاقة التي توفرها الأسلاك النحاسية من نفس الحجم) ، ومولدات طاقة الرياح وأيضًا أجهزة الكمبيوتر العملاقة. يمكن إنشاء الطاقة لملايين السنين باستخدام الموصلات الفائقة.
الموصلات الفائقة الحالية ذات درجة الحرارة العالية لها حدودها وتحدياتها. بصرف النظر عن كونها باهظة الثمن بسبب الحاجة إلى جهاز تبريد ، فإن هذه الموصلات الفائقة مصنوعة من مواد هشة وليس من السهل تشكيلها وبالتالي لا يمكن استخدامها في صنع الأسلاك الكهربائية. قد تكون المادة أيضًا غير مستقرة كيميائيًا في بيئات معينة وحساسة للغاية للشوائب من الغلاف الجوي والماء ، وبالتالي يجب تغليفها بشكل عام. ثم لا يوجد سوى الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن تحمله المواد فائقة التوصيل وفوق كثافة التيار الحرج ، تنهار الموصلية الفائقة مما يحد من التيار. التكاليف الباهظة والحالات غير العملية تعيق استخدام الموصلات الفائقة الجيدة خاصة في البلدان النامية. المهندسون ، في خيالهم ، يريدون حقًا موصلاً فائقًا ناعمًا ومرنًا ومغناطيسيًا مغناطيسيًا غير منفذ للشوائب أو المجالات الحالية والمغناطيسية المطبقة. أطلب الكثير!
يمكن أن يكون الجرافين!
المعيار المركزي للموصل الفائق الناجح هو إيجاد درجة حرارة عالية فائقة التوصيلr ، السيناريو المثالي هو درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، لا تزال المواد الأحدث محدودة ويصعب صنعها بشدة. لا يزال هناك تعلم مستمر في هذا المجال حول المنهجية الدقيقة التي تعتمدها هذه الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية وكيف يمكن للعلماء الوصول إلى تصميم جديد عملي. أحد الجوانب الصعبة في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية هو أنه من غير المفهوم تمامًا ما الذي يساعد الإلكترونات في المادة على الاقتران. في دراسة حديثة تبين لأول مرة أن هذه المادة الجرافين يتمتع بجودة فائقة التوصيل الجوهرية ويمكننا حقًا صنع موصل فائق للجرافين في الحالة الطبيعية للمادة. تم اكتشاف مادة الجرافين ، وهي مادة كربونية خالصة ، في عام 2004 فقط وهي أنحف مادة معروفة. كما أنه خفيف ومرن مع كل لوح يتكون من ذرات كربون مرتبة سداسية. يُنظر إليه على أنه أقوى من الفولاذ ويعبر عن موصلية كهربائية أفضل بكثير مقارنة بالنحاس. وبالتالي فهي مادة متعددة الأبعاد بكل هذه الخصائص الواعدة.
فيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية ، نُشر عملهم في ورقتين1,2 in الطبيعة، أفادوا بأنهم قادرون على ضبط مادة الجرافين لإظهار سلوكين كهربائيين متطرفين - كعازل لا يسمح فيه لأي تيار بالمرور وكموصل فائق يسمح للتيار بالمرور دون أي مقاومة. تم إنشاء "شبكة علوية" من لوحين من الجرافين مكدستين معًا وتم تدويرهما قليلاً "بزاوية سحرية" مقدارها 1.1 درجة. تم إجراء هذا الترتيب الخاص بنمط قرص العسل السداسي المتراكب بحيث يحتمل أن يحفز "تفاعلات شديدة الترابط" بين الإلكترونات في صفائح الجرافين. وقد حدث هذا لأن الجرافين يمكنه توصيل الكهرباء بمقاومة صفرية عند هذه "الزاوية السحرية" في حين أن أي ترتيب مكدس آخر يبقي الجرافين متميزًا ولم يكن هناك تفاعل مع الطبقات المجاورة. لقد أظهروا طريقة لجعل الجرافين يتبنى جودة جوهرية للحصول على سلوك فائق بمفرده. سبب أهمية هذا الأمر هو أن المجموعة نفسها كانت قد صنعت سابقًا موصلات فائقة من الجرافين عن طريق وضع الجرافين في اتصال مع معادن أخرى فائقة التوصيل مما يسمح له بوراثة بعض السلوكيات فائقة التوصيل ولكن لا يمكن تحقيقه باستخدام الجرافين وحده. يعد هذا تقريرًا رائدًا لأن القدرات الموصلة للجرافين معروفة منذ فترة ، لكنها المرة الأولى على الإطلاق التي يتم فيها تحقيق الموصلية الفائقة للجرافين دون تغيير أو إضافة مواد أخرى إليه ، وبالتالي ، يمكن استخدام الجرافين لصنع ترانزستور يشبه الترانزستور يمكن دمج الموصلية الفائقة التي يعبر عنها الجرافين في الأجهزة الإلكترونية الجزيئية بوظائف جديدة.
يعيدنا هذا إلى كل الحديث عن الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، وعلى الرغم من أن هذا النظام لا يزال بحاجة إلى التبريد إلى 1.7 درجة مئوية، إلا أن إنتاج واستخدام الجرافين في المشاريع الكبيرة يبدو قابلاً للتحقيق الآن من خلال دراسة الموصلية الفائقة غير التقليدية. على عكس الموصلات الفائقة التقليدية، لا يمكن تفسير نشاط الجرافين من خلال النظرية السائدة للموصلية الفائقة. وقد شوهد مثل هذا النشاط غير التقليدي في أكاسيد النحاس المعقدة التي تسمى الكوبات، والمعروفة بقدرتها على توصيل الكهرباء عند درجة حرارة تصل إلى 133 درجة مئوية، وكانت محور البحث لعدة عقود. على الرغم من ذلك، على عكس هذه النحاسات، فإن نظام الجرافين المكدس بسيط للغاية كما أن المادة مفهومة بشكل أفضل. الآن فقط تم اكتشاف الجرافين باعتباره موصلًا فائقًا نقيًا، لكن المادة في حد ذاتها تتمتع بالعديد من القدرات المتميزة التي كانت معروفة سابقًا. يمهد هذا العمل الطريق لدور أقوى للجرافين وتطوير موصلات فائقة الحرارة عالية الحرارة وصديقة للبيئة وأكثر من ذلك. طاقة كفاءة والأهم من ذلك أنها تعمل في درجة حرارة الغرفة مما يلغي الحاجة إلى التبريد باهظ الثمن. يمكن أن يحدث هذا ثورة في نقل الطاقة، وأبحاث المغناطيس، والأجهزة الطبية وخاصة الماسحات الضوئية، ويمكنه بالفعل إصلاح كيفية نقل الطاقة في منازلنا ومكاتبنا.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
1. يوان سي وآخرون. 2018. سلوك العازل المترابط عند نصف ملء في الزوايا السحرية للشبكات الفوقية للجرافين. طبيعة سجية. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. يوان سي وآخرون. 2018. الموصلية الفائقة غير التقليدية في شبكات الجرافين الفائقة ذات الزاوية السحرية. طبيعة سجية. https://doi.org/10.1038/nature26160
