Ang kamakailang ground-breaking na pag-aaral ay nagpakita ng mga natatanging katangian ng materyal na graphene para sa isang pangmatagalang posibilidad na sa wakas ay bumuo ng mga matipid at praktikal na gamiting superconductor.
A superconductor ay isang materyal na maaaring magsagawa (magpadala) koryente walang pagtutol. Ang paglaban na ito ay tinukoy bilang ilang pagkawala ng lakas na nangyayari sa panahon ng proseso. Kaya, ang anumang materyal ay nagiging superconductive kapag ito ay nakapagdadala ng kuryente, sa partikular na 'temperatura' o kundisyon, nang walang paglabas ng init, tunog o anumang iba pang anyo ng enerhiya. Ang mga superconductor ay 100 porsiyentong mahusay ngunit karamihan sa mga materyales ay nangangailangan na nasa napakababa lakas estado upang maging superconductive, na nangangahulugan na dapat silang maging napakalamig. Karamihan sa mga superconductor ay kailangang palamigin ng likidong helium hanggang sa napakababang temperatura na humigit-kumulang -270 degrees Celsius. Kaya ang anumang superconducting application ay karaniwang isinasama sa ilang uri ng aktibo o passive cryogenic/low temperature cooling. Ang pamamaraan ng paglamig na ito ay nangangailangan ng labis na dami ng enerhiya sa sarili nito at ang likidong helium ay hindi lamang napakamahal kundi hindi rin nababago. Samakatuwid, ang karamihan sa mga conventional o "mababang temperatura" na superconductor ay hindi mahusay, may kanilang mga limitasyon, ay hindi matipid, mahal at hindi praktikal para sa malawakang paggamit.
Mga superconductor na may mataas na temperatura
Ang larangan ng superconductor ay gumawa ng isang malaking hakbang noong kalagitnaan ng 1980s nang matuklasan ang isang copper oxide compound na maaaring mag-superconduct sa -238 degrees Celsius. Malamig pa rin ito, ngunit mas mainit kaysa sa mga temperatura ng likidong helium. Ito ay kilala bilang ang unang "high-temperature superconductor" (HTC) na natuklasan kailanman, na nanalo sa premyong Nobel, kahit na "mataas" lamang ito sa mas malaking relatibong kahulugan. Samakatuwid, naisip ng mga siyentipiko na maaari silang tumuon sa paghahanap ng mga superconductor na gumagana, sabihin natin na may likidong nitrogen (-196° C) na may dagdag na magagamit ito nang marami at mura rin. Ang mga superconductor na may mataas na temperatura ay mayroon ding mga aplikasyon kung saan kinakailangan ang napakataas na magnetic field. Ang kanilang mga katapat na mababa ang temperatura ay huminto sa pagtatrabaho sa humigit-kumulang 23 teslas (ang tesla ay isang yunit ng lakas ng magnetic field) kaya hindi sila magagamit upang gumawa ng mas malakas na magnet. Ngunit ang mataas na temperatura na mga superconducting na materyales ay maaaring gumana nang higit sa dalawang beses sa larangang iyon, at malamang na mas mataas pa. Dahil ang mga superconductor ay bumubuo ng malalaking magnetic field ang mga ito ay isang mahalagang bahagi sa mga scanner at levitating na mga tren. Halimbawa, ang MRI ngayon (Magnetic Resonance Imaging) ay isang pamamaraan na gumagamit ng kalidad na ito upang tingnan at pag-aralan ang mga materyales, sakit at kumplikadong mga molekula sa katawan. Kasama sa iba pang mga application ang grid scale na pag-iimbak ng kuryente sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga linya ng kuryente na matipid sa enerhiya (halimbawa, ang mga superconducting cable ay maaaring magbigay ng 10 beses na mas maraming kapangyarihan kaysa sa mga wire ng cooper na may parehong laki), wind power generators at mga supercomputer din. Ang mga device na may kakayahang mag-imbak Ang enerhiya para sa milyun-milyong taon ay maaaring malikha gamit ang mga superconductor.
Ang kasalukuyang mataas na temperatura superconductor ay may sariling mga limitasyon at hamon. Bukod sa napakamahal dahil nangangailangan ng cooling device, ang mga superconductor na ito ay gawa sa mga malutong na materyales at hindi madaling hubugin kaya hindi ito magagamit sa paggawa ng mga electrical wire. Ang materyal ay maaari ding hindi matatag sa kemikal sa ilang partikular na kapaligiran at lubhang sensitibo sa mga dumi mula sa atmospera at tubig at sa gayon ito ay dapat na nakabalot sa pangkalahatan. Pagkatapos ay mayroon lamang isang maximum na kasalukuyang na maaaring dalhin ng mga superconducting na materyales at sa itaas ng isang kritikal na densidad ng kasalukuyang, ang superconductivity ay nasisira na nililimitahan ang kasalukuyang. Ang malalaking gastos at hindi praktikal ay humahadlang sa paggamit ng magagandang superconductor lalo na sa mga umuunlad na bansa. Ang mga inhinyero, sa kanilang imahinasyon, ay talagang gusto ng malambot, malleable, ferromagnetic superconductor na hindi tinatablan ng mga impurities o inilapat na kasalukuyang at magnetic field. Masyadong maraming hinihiling!
Maaaring ito ang graphene!
Ang pangunahing criterion ng isang matagumpay na superconductor ay ang paghahanap ng mataas na temperatura superconductor, ang perpektong senaryo ay ang temperatura ng silid. Gayunpaman, ang mga bagong materyales ay limitado pa rin at napakahirap gawin. Mayroon pa ring tuluy-tuloy na pag-aaral sa larangang ito tungkol sa eksaktong pamamaraan na pinagtibay ng mga high-temperature superconductors na ito at kung paano makakarating ang mga siyentipiko sa isang bagong disenyo na praktikal. Ang isa sa mga mapaghamong aspeto sa mga superconductor na may mataas na temperatura ay hindi gaanong naiintindihan kung ano talaga ang nakakatulong sa mga electron sa isang materyal na magkapares. Sa isang kamakailang pag-aaral ay ipinakita sa unang pagkakataon na ang materyal graphene ay may intrinsic na superconducting na kalidad at talagang makakagawa tayo ng graphene superconductor sa natural na estado ng materyal. Ang Graphene, isang purong carbon-based na materyal, ay natuklasan lamang noong 2004 at ito ang pinakamanipis na materyal na kilala. Ito rin ay magaan at nababaluktot sa bawat sheet na binubuo ng mga carbon atom na nakaayos nang heksagonal. Ito ay nakikita na mas malakas kaysa sa bakal at ito ay nagpapahayag ng mas mahusay na electrical conductivity kumpara sa tanso. Kaya, ito ay isang multidimensional na materyal na may lahat ng magagandang katangiang ito.
Mga physicist sa Massachusetts Institute of Technology at Harvard University, USA, na ang gawain ay inilathala sa dalawang papel1,2 in Kalikasan, ay nag-ulat na nagagawa nilang ibagay ang materyal na graphene upang magpakita ng dalawang matinding pag-uugaling elektrikal – bilang isang insulator kung saan hindi nito pinapayagang dumaan ang anumang kasalukuyang at bilang isang superconductor kung saan pinapayagan ang kasalukuyang dumaan nang walang anumang pagtutol. Ang isang "superlattice" ng dalawang graphene sheet ay nilikha na nakasalansan nang bahagya na pinaikot sa isang "magic angle" na 1.1 degrees. Ang partikular na overlaying na hexagonal honeycomb na pag-aayos ng pattern ay ginawa upang potensyal na mahikayat ang "malakas na pagkakaugnay na mga pakikipag-ugnayan" sa pagitan ng mga electron sa mga graphene sheet. At nangyari nga ito dahil ang graphene ay maaaring magsagawa ng kuryente na walang resistensya sa "magic angle" na ito habang ang anumang iba pang nakasalansan na kaayusan ay nagpapanatili sa graphene bilang kakaiba at walang pakikipag-ugnayan sa mga kalapit na layer. Nagpakita sila ng isang paraan upang gawin ang graphene na magpatibay ng isang intrinsic na kalidad sa sobrang pag-uugali sa sarili nitong. Kung bakit ito ay lubos na nauugnay ay dahil, ang parehong grupo ay dati nang nag-synthesize ng graphene superconductors sa pamamagitan ng paglalagay ng graphene sa pakikipag-ugnay sa iba pang mga superconducting metal na nagpapahintulot dito na magmana ng ilang superconducting na pag-uugali ngunit hindi makakamit sa graphene lamang. Ito ay isang ground-breaking na ulat dahil ang conductive na kakayahan ng graphene ay matagal nang kilala ngunit ito ang unang pagkakataon na ang superconductivity ng graphene ay nakamit nang hindi binabago o idinagdag ang iba pang mga materyales dito. Kaya, ang graphene ay maaaring gamitin upang gumawa ng isang transistor-like device sa isang superconducting circuit at ang superconductivity na ipinahayag ng graphene ay maaaring isama sa mga molekular na electronics na device na may mga nobelang functionality.
Ibinabalik tayo nito sa lahat ng usapan tungkol sa mga superconductor na may mataas na temperatura at kahit na ang sistemang ito ay kailangan pa ring palamigin sa 1.7 degrees Celsius, ang paggawa at paggamit ng graphene para sa malalaking proyekto ay mukhang matamo na ngayon sa pamamagitan ng pagsisiyasat sa hindi kinaugalian na superconductivity nito. Hindi tulad ng mga maginoo na superconductors, ang aktibidad ng graphene ay hindi maipaliwanag ng pangunahing teorya ng superconductivity. Ang ganitong hindi kinaugalian na aktibidad ay nakita sa mga kumplikadong tansong oksido na tinatawag na cuprates, na kilala na nagsasagawa ng kuryente sa hanggang 133 degrees Celsius, at naging pokus ng pananaliksik sa loob ng maraming dekada. Bagaman, hindi tulad ng mga cuprates na ito, ang isang stacked graphene system ay medyo simple at ang materyal ay mas naiintindihan din. Ngayon lamang natuklasan ang graphene bilang isang purong superconductor, ngunit ang materyal mismo ay may maraming natitirang mga kakayahan na dati nang kilala. Ang gawaing ito ay nagbibigay daan para sa isang mas malakas na papel ng graphene at pagbuo ng mga superconductor na may mataas na temperatura na environment-friendly at higit pa lakas mahusay at pinakamahalagang gumana sa temperatura ng silid na inaalis ang pangangailangan para sa mamahaling paglamig. Maaaring baguhin nito ang paghahatid ng enerhiya, mga magnet sa pagsasaliksik, mga kagamitang medikal lalo na ang mga scanner at maaaring talagang ma-overhaul kung paano ipinapadala ang enerhiya sa ating mga tahanan at opisina.
***
{Maaari mong basahin ang orihinal na papel ng pananaliksik sa pamamagitan ng pag-click sa link ng DOI na ibinigay sa ibaba sa listahan ng (mga) binanggit na pinagmulan}
Pinagmulan (s)
1. Yuan C et al. 2018. Kaugnay na pag-uugali ng insulator sa kalahating pagpuno sa magic-angle graphene superlattices. Kalikasan. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Hindi kinaugalian na superconductivity sa magic-angle graphene superlattices. Kalikasan. https://doi.org/10.1038/nature26160
