Fizycy robią postępy w wyścigu nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej

Zespół fizyków z laboratorium UNLV Nevada Extreme Conditions Laboratory (NEXCL) użył w swoich badaniach ogniwa kowadełkowego Massey, urządzenia badawczego podobnego do tego na zdjęciu, w celu obniżenia ciśnienia potrzebnego do monitorowania materiału zdolnego do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej. Źródło: Zdjęcie dzięki uprzejmości NEXCL

Niecałe dwa lata temu świat nauki był zszokowany odkryciem materiału zdolnego do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej. Teraz zespół fizyków z University of Nevada Las Vegas (UNLV) po raz kolejny podniósł stawkę, odtwarzając ten wyczyn przy najniższym kiedykolwiek odnotowanym ciśnieniu.

Żeby było jasne, oznacza to, że nauka jest bliżej niż kiedykolwiek użytecznego, powtarzalnego materiału, który pewnego dnia może zrewolucjonizować sposób transportu energii.

W 2020 r. trafił na nagłówki międzynarodowych gazet dzięki odkryciu Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej po raz pierwszy Napisane przez fizyka UNLV Ashkana Salamata i koleżankę Ranję Dias, fizyka z University of Rochester. Aby osiągnąć ten wyczyn, naukowcy przekształcili chemiczną mieszaninę węgla, siarki i wodoru najpierw w stan metaliczny, a następnie w stan nadprzewodzący w temperaturze pokojowej przy użyciu ekstremalnie wysokiego ciśnienia – 267 gigapaskali – w warunkach, które można znaleźć tylko w naturze w pobliżu centrum Ziemia.

Posuwając się do przodu w tempie krótszym niż dwa lata, naukowcy są teraz w stanie dokonać tego wyczynu przy zaledwie 91 gigapaskaliach – mniej więcej jednej trzeciej początkowo podanego ciśnienia. Nowe odkrycia zostały opublikowane jako wstępny artykuł w czasopiśmie komunikacja chemiczna Ten miesiąc.

Super odkrycie

Dzięki szczegółowemu dostrojeniu składu węgla, siarki i wodoru zastosowanego w pierwotnym przełomie, naukowcy są teraz w stanie wyprodukować materiał pod niskim ciśnieniem, który zachowuje stan nadprzewodnictwa.

„Są to ciśnienia na poziomie trudnym do zrozumienia i oceny poza laboratorium, ale nasz obecny kurs pokazuje, że możliwe jest osiągnięcie stosunkowo wysokich temperatur przewodzenia przy stale niskich ciśnieniach – i to jest nasz ostateczny cel” – powiedział kierownik badania. autor Gregory Alexander Smith. Podyplomowy pracownik naukowy z UNLV Laboratorium ekstremalnych warunków w Nevadzie (Nexel). „Pod koniec dnia, jeśli chcemy tworzyć urządzenia przydatne dla potrzeb społeczeństwa, musimy zmniejszyć presję potrzebną do ich tworzenia”.

Chociaż ciśnienie jest nadal bardzo wysokie – około tysiąc razy wyższe niż to, czego możesz doświadczyć na dnie Rowu Mariańskiego na Oceanie Spokojnym – nadal ścigają się w kierunku celu zbliżającego się do zera. To gorący wyścig w UNLV, ponieważ naukowcy lepiej rozumieją związek chemiczny między węglem, siarką i wodorem, z których składa się materiał.

„Nasza wiedza na temat związku między węglem a siarką szybko się rozwija i znajdujemy proporcje, które prowadzą do znacznie innych i bardziej wydajnych reakcji niż początkowo obserwowane” – powiedział Salamat, który kieruje NEXCL w UNLV i przyczynił się do najnowszego badania. „Obserwowanie tak różnych zjawisk w podobnym systemie pokazuje tylko bogactwo Matki Natury. Jest tak wiele do zrozumienia, a każdy nowy postęp zbliża nas do krawędzi codziennych urządzeń nadprzewodzących”.

Święty Graal Efektywności Energetycznej

Nadprzewodnictwo jest fascynującym zjawiskiem zaobserwowanym po raz pierwszy ponad sto lat temu, ale dopiero w znacznie niższych temperaturach wykluczono pomysł praktycznego zastosowania. Dopiero w latach 60. naukowcy postawili hipotezę, że osiągnięcie tego może być możliwe w jeszcze wyższych temperaturach. Odkrycie nadprzewodnika w temperaturze pokojowej w 2020 r. przez Salamata i współpracowników wzbudziło zainteresowanie światem nauki po części dlatego, że technologia wspiera przepływ elektryczny bez oporów, co oznacza, że ​​moc przechodząca przez obwód elektryczny może być prowadzona w nieskończoność i bez strat energii. Może to mieć poważne konsekwencje dla magazynowania i przesyłania energii, wspierając wszystko, od lepszych baterii do telefonów komórkowych po bardziej wydajną sieć energetyczną.

„Globalny kryzys energetyczny nie wykazuje oznak spowolnienia, a koszty rosną częściowo ze względu na utratę przez amerykańską sieć energetyczną prawie 30 miliardów dolarów rocznie z powodu nieefektywności obecnej technologii” – powiedział Salamat. „W celu zmiany społecznej musimy przewodzić dzięki technologii, a praca, która ma miejsce dzisiaj, jest, jak sądzę, w czołówce rozwiązań jutra”.

Według Salamata właściwości nadprzewodników mogą wspierać nową generację materiałów, które mogą fundamentalnie zmienić infrastrukturę energetyczną w Stanach Zjednoczonych i poza nimi.

„Wyobraź sobie wykorzystanie energii w Nevadzie i wysyłanie jej przez cały kraj bez utraty energii” – powiedział. „Ta technologia może sprawić, że pewnego dnia będzie to możliwe”.

Odniesienie: „Zawartość węgla zwiększa nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w wodorku węgla i siarki poniżej 100 GPa” autorstwa J. Alexander Smith, Innes E. Collings, Elliot Snyder, Dean Smith, Sylvain Pettigerard i Jesse S. Ellison, Keith F. Lawler, Ranja B. Dias i Ashkan Salamat, 7 lipca 2022 r., Dostępne tutaj. komunikacja chemiczna.
DOI: 10.1039 / D2CC03170A

Smith, główny autor, jest byłym badaczem UNLV w laboratorium Salamata, a obecnie doktorantem w dziedzinie chemii i badań w NEXCL. Dodatkowi autorzy badań to Salamat, Dean Smith, Paul Ellison, Melanie White i Keith Lawler z UNLV; Ranga Dias, Elliot Snyder i Elise Jones z Uniwersytetu Rochester; Ines E. Collings ze Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Nauki o Materiałach i Technologii, Sylvain Pettigerard z ETH Zurich; i Jesse S. Smith z Argonne National Laboratory.