广告投放

石墨烯:向室温超导体迈进

科学CHEMISTRY石墨烯:向室温超导体迈进

最近的突破性研究表明,石墨烯材料的独特性质为最终开发经济实用的超导体提供了长期的可能性。

A 超导体 是一种可以无电阻地导电(传输)电的材料。 该阻力被定义为在该过程中发生的一些能量损失。 因此,当任何材料能够在特定的“温度”或条件下导电而不会释放热量、声音或任何其他形式的能量时,它就会变得超导。 超导体的效率为 100%,但大多数材料需要处于极低的能量状态才能成为超导体,这意味着它们必须非常冷。 大多数超导体需要用液氦冷却到-270摄氏度左右的极低温度。 因此,任何超导应用通常都与某种主动或被动低温/低温冷却相结合。 这种冷却过程本身需要过多的能量,液氦不仅非常昂贵而且不可再生。 因此,大多数传统或“低温”超导体效率低下,有其局限性,不经济、昂贵且不适合大规模使用。

高温超导体

超导体领域在 1980 年代中期取得了重大飞跃,当时发现了一种可以在 -238 摄氏度下超导的氧化铜化合物。 这仍然很冷,但比液氦温度要高得多。 这被称为有史以来发现的第一个“高温超导体”(HTC),获得了诺贝尔奖,尽管它的“高”只是在更大的相对意义上。 因此,科学家们想到他们可以专注于最终找到可以工作的超导体,比如说液氮(-196°C)具有大量可用且价格便宜的优点。 高温超导体也有需要非常高磁场的应用。 它们的低温对应物在 23 特斯拉左右停止工作(特斯拉是磁场强度的单位),因此它们不能用于制造更强大的磁铁。 但是高温超导材料可以在该场的两倍以上工作,甚至可能更高。 由于超导体会产生大磁场,因此它们是扫描仪和悬浮列车的重要组成部分。 例如,今天的 MRI(磁共振成像)是一种利用这种特性来观察和研究体内材料、疾病和复杂分子的技术。 其他应用包括通过具有节能电力线的电网规模存储电力(例如,超导电缆可以提供相同尺寸铜线 10 倍的电力)、风力发电机和超级计算机。能够存储的设备超导体可以产生数百万年的能量。

当前的高温超导体有其自身的局限性和挑战。 除了由于需要冷却装置而非常昂贵外,这些超导体由脆性材料制成且不易成型,因此不能用于制造电线。 该材料在某些环境中也可能具有化学稳定性,并且对来自大气和水中的杂质极其敏感,因此通常必须将其包裹起来。 然后只有超导材料可以携带的最大电流,并且超过临界电流密度,超导会破坏限制电流。 巨大的成本和不切实际的问题阻碍了优质超导体的使用,尤其是在发展中国家。 在他们的想象中,工程师们真的想要一种柔软、可延展的铁磁超导体,它不受杂质或外加电流和磁场的影响。 要求太多了!

石墨烯可能就是它!

成功超导体的核心标准是找到一个高温 超导r,理想情况是室温。 然而,较新的材料仍然有限,制造起来非常具有挑战性。 关于这些高温超导体采用的确切方法以及科学家如何得出实用的新设计,该领域仍在不断学习。 高温超导体的挑战之一是,人们对什么真正帮助材料中的电子配对知之甚少。 在最近的一项研究中,首次表明该材料 石墨烯 具有内在的超导特性,我们可以真正制造出处于材料自身自然状态的石墨烯超导体。 石墨烯是一种纯碳基材料,仅在 2004 年才被发现,是已知的最薄的材料。 它也轻巧灵活,每片都由六边形排列的碳原子组成。 它被认为比钢更坚固,并且与铜相比,它表现出更好的导电性。 因此,它是一种具有所有这些有前途的特性的多维材料。

美国麻省理工学院和哈佛大学的物理学家,其工作发表在两篇论文中1,2 in 自然,据报道,他们能够调整材料石墨烯以显示两种极端的电行为 - 作为绝缘体,不允许任何电流通过,作为超导体,允许电流在没有任何阻力的情况下通过。 两个石墨烯片的“超晶格”堆叠在一起,以 1.1 度的“魔角”轻微旋转。 这种特殊的重叠六边形蜂窝图案排列是为了潜在地诱导石墨烯片中电子之间的“强相关相互作用”。 这确实发生了,因为石墨烯可以在这个“魔角”下以零电阻导电,而任何其他堆叠排列都保持石墨烯的独特性,并且与相邻层没有相互作用。 他们展示了一种方法,可以让石墨烯采用一种内在的品质来实现其自身的超导电性。 为什么这是高度相关的,因为同一个小组以前通过将石墨烯与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体,使其继承一些超导行为,但不能单独使用石墨烯。 这是一份开创性的报告,因为石墨烯的导电能力早已为人所知,但这是有史以来第一次在不改变或添加其他材料的情况下实现石墨烯的超导性。因此,石墨烯可用于制造类似晶体管的超导电路中的器件和石墨烯表达的超导性可以结合到具有新功能的分子电子器件中。

这让我们回到了关于高温超导体的所有讨论,尽管该系统仍需要冷却到 1.7 摄氏度,但通过研究石墨烯的非常规超导性,现在可以为大型项目生产和使用石墨烯。 与传统超导体不同,石墨烯的活性不能用超导的主流理论来解释。 这种非常规活动在称为铜酸盐的复杂氧化铜中出现过,已知可在高达 133 摄氏度的温度下导电,并且几十年来一直是研究的重点。 不过,与这些铜酸盐不同,堆叠的石墨烯系统非常简单,而且材料也更容易理解。 直到现在石墨烯才被发现是一种纯超导体,但这种材料本身具有许多以前已知的杰出能力。 这项工作为石墨烯的更强大作用和开发环境友好且更节能的高温超导体铺平了道路,最重要的是在室温下运行,无需昂贵的冷却。 这可能会彻底改变能量传输、研究磁铁、医疗设备,尤其是扫描仪,并可能真正彻底改变我们家庭和办公室的能量传输方式。

***

{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

1. 袁 C 等。 2018. 魔角石墨烯超晶格半填充的相关绝缘体行为。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26154

2. 袁 C 等。 2018. 魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26160

赛欧团队
赛欧团队https://www.ScientificEuropean.co.uk
科学欧洲® | SCIEU.com | 科学的重大进步。 对人类的影响。 鼓舞人心。

订阅电邮通讯

将通过所有最新新闻,优惠和特别公告进行更新。

- 广告 -

最热门文章

Sun Pharma 提供数据,为治疗患有或有风险的人提供见解...

Sun Pharma 提供了 ODOMZO® (用于...的药物)的数据。

克服同性哺乳动物繁殖的生物障碍

研究首次表明健康的小鼠后代...

COVID-19 和达尔文在人类中的自然选择

随着 COVID-19 的出现,似乎有...
- 广告 -
98,926风扇喜欢
64,233粉丝关注
6,162粉丝关注
31认购购买