Superprovodljivost - napredak 2023 i 2024 godine. 1. materijal-crvena materija

2012. godine objavila sam post o superprovodljivosti.( vidi) Superprovodnici su fascinantna klasa materijala koji pokazuju nulti električni otpor i izbacivanje uticaja magnetnih polja kada se ohlade ispod kritične temperature. Tradicionalni superprovodnici, koji su prvobitno otkriveni, zahtevali su ekstremno niske temperature blizu apsolutne nule (-273,15°C ili -459,67°F) da bi manifestovali svoje supravodljivo stanje. Međutim, poslednju deceniju, otkriće visokotemperaturnih supravodiča, koji mogu raditi na relativno višim temperaturama, revolucioniralo je ovu oblast. Naime sposobnost supravodljivosti ima duboke implikacije na prenos i skladištenje energije. Trenutno, konvencionalni dalekovodi pate od gubitaka energije zbog otpora, što dovodi do neefikasnosti u distribuciji električne energije na velikim udaljenostima. Superprovodnici bi mogli utrti put visoko efikasnim električnim mrežama, minimizirajući gubitak energije i smanjujući utjecaj na okoliš povezan s proizvodnjom električne energije.

Izdvajam dva bitna momenta iz ove decenije

1. Reddmatter

U martu 2023. naučnici su otkrili novi materijal koji bi mogao promeniti svet. Činjenica da je provodljivost materijala uspešna u praktičnim uslovima dodatno veliča otkriće. Kada je materijal supravodljiv, električna energija teče kroz njega sa nultim otporom, što znači da se ništa od uključene energije ne gubi. Ali svaki do sada napravljen supravodič zahteva izuzetno visoke pritiske, a većina zahteva veoma niske temperature.

Istraživači su objavili da su stvorili supravodljivi materijal koji radi i na niskoj temperaturi i pri dovoljno niskom pritisku da bi se mogao stvarno koristiti u praktičnim situacijama. Ovo je veliki iskorak za kojim su naučnici jurili više od jednog veka, u pravljenju materijala koji je u stanju da prenosi električnu energiju bez otpora i da propušta magnetna polja oko materijala.

Ovo otkriće moglo bi dovesti do stvaranja energetskih mreža koje bi bile sposobne da prenose energiju štedeći do 200 miliona megavat sati koji se trenutno gube zbog otpora. To bi takođe moglo doprineti nuklearnoj fuziji, dugo očekivanom procesu koji bi mogao stvoriti neograničenu snagu. Proboj bi mogao utrti put novim vozovima koji lebde i ultraefikasnim električnim mrežama i novim vrstama medicinske opreme i visoko efikasnim MRI mašinama za dijagnostičke svrhe.

Prema New Scientist-u , docent po imenu Ranga Dias na Univerzitetu Rochester u New Yorku i njegove kolege tvrde da su napravili materijal od vodonika (99 posto), azota (1 posto) i lutecijuma koji postaje supraprovodnik u temperatura od samo 69 stepeni Farenhajta i pritisak od 1 gigapaskal. To je skoro 10.000 puta više od atmosferskog pritiska na Zemljinoj površini, ali i dalje daleko niži pritisak od bilo kojeg prethodnog supravodljivog materijala.

U radu objavljenom u naučnom časopisu Nature, istraživači opisuju kako su kombinovali tri komponente da bi stvorili materijal pritiskajući ga između dva dijamantska nakovnja, uređaja koji komprimuje materijale na ekstremno visoke pritiske. Njegova boja se promenila iz plave u crvenu kada je supstanca zdrobljena. Materijal je dobio nadimak "reddmatter ", po svojoj boji po uzoru na materijal iz Zvezdanih staza . To je ime nastalo tokom procesa stvaranja, kada su naučnici otkrili da je ono iznenađujuće postalo „ veoma jarko crveno“ dok je nastajalo.

Profesor Dias i tim su napravili materijal tako što su uzeli retki zemni metal po imenu lutecijum i pomešali ga sa vodonikom i malim delom azota. Zatim su ostavljeni da reaguju dva-tri dana, na visokim temperaturama. Kompozicija je izašla kao bogato plava, prema novinama. Ali tada je bio pritisnut pod vrlo visokim pritiskom, kada je iz plave postala ružičasta kada je dostigla supravodljivost, a zatim je ponovo postala bogato crvena u svom nesuperprovodljivom metalnom stanju.

Da bi radio, materijal još uvek zahteva zagrevanje na 20,5 stepeni Celzijusa i komprimiranje na oko 145.000 psi. Ali to je znatno manje intenzivno od drugih, sličnih materijala – uključujući one koje je 2020. najavio profesor Dias koji su izazvali uzbuđenje i skepticizam kod naučnika. Hidridi nastali kombinovanjem retkih zemnih metala sa vodonikom, a zatim dodavanjem azota ili ugljenika, pružili su istraživačima primamljiv „radni recept“ za stvaranje supravodljivih materijala poslednjih godina.

U tehničkom smislu, hidridi retkih zemnih metala formiraju kavezne strukture nalik klatratu, gde joni retkih zemnih metala deluju kao donori nosači, obezbeđujući dovoljno elektrona koji bi pojačali disocijaciju molekula H2 . Dušik i ugljik pomažu u stabilizaciji materijala. Zaključak: potreban je manji pritisak da bi se pojavila supravodljivost. Lutecij ima visoko lokalizovanih potpuno popunjenih 14 elektrona u svojoj f orbitalnoj konfiguraciji koji potiskuju omekšavanje fonona i obezbeđuju poboljšanje elektron-fononskog sprega potrebnog da se supravodljivost odvija na temperaturama okoline.

Ključno pitanje je bilo, kako ćemo to stabilizovati da smanjimo potreban pritisak? I tu se pojavio azot. Dušik, kao i ugljik, ima krutu atomsku strukturu koja se može koristiti za stvaranje stabilnije rešetke nalik kavezu unutar materijala i stvrdnjava niskofrekventne optičke fonone. Ova struktura obezbeđuje stabilnost da se supravodljivost pojavi pri nižem pritisku.

" Sa ovim materijalom, stigla je zora ambijentalne supravodljivosti i primenjenih tehnologija", prema timu koji predvodi Ranga Dias, docent mašinstva i fizike. "Put ka supravodljivoj potrošačkoj elektronici, vodovi za prenos energije, transport i značajna poboljšanja magnetnog zatvaranja za fuziju sada su stvarnost", rekao je profesor Dias u izjavi . Verujemo da smo sada u modernoj supravodljivoj eri.

Prema ovim naučnicima, ovaj čudesni materijal ima supravodljiva svojstva koja mogu omogućiti: (i) električne mreže koje prenose električnu energiju bez gubitka do 200 miliona megavat sati (MWh) energije koja se sada javlja zbog otpora u žicama (ii ) Brzi vozovi bez trenja, koji levitiraju (iii) Pristupačnije medicinske tehnike snimanja i skeniranja kao što su MRI i magnetokardiografija (iv) Brža, efikasnija elektronika za digitalnu logiku i tehnologiju memorijskih uređaja (v) Tokamak mašine koje koriste magnetna polja za ograničavanje plazme postići fuziju kao izvor neograničene moći .

Dias predviđa da će lutecij hidrid dopiran dušikom uvelike ubrzati napredak u razvoju tokamak mašina za postizanje fuzije. Prema njegovim rečima, tokamaki, još jedna metoda hvatanja plazme umesto lasera, mogla bi proizvesti ogromno magnetsko polje kada se kombinuje sa materijalom koji je otkrio. Prema njegovim rečima, upravo je to „promena igre “.

Novi materijal je opisan u radu, ' Dokaz supravodljivosti blizu ambijenta u lutecijum hidridu dopiranom N' , objavljenom u Nature danas. Naziv "crvena materija" nastao je tokom procesa stvaranja, kada su naučnici otkrili da se iznenađujuće pretvorio u " veoma jarko crvenu" dok je nastajao. I dovoljno je praktično da naučnici uključeni u rad kažu da će označiti novu eru za praktičnu upotrebu supravodljivih materijala.

Verujemo da smo sada u modernoj supravodljivoj eri. Te praktične primene mogu uključivati ​​korištenje materijala za ubrzanje razvoja "tokamak mašina" koje se razvijaju za postizanje nuklearne fuzije. Svet energije i elektronike može se drastično i efikasno transformisati kao rezultat otkrića ovog novog supravodičkog materijala. I dovoljno je praktično da naučnici uključeni u rad kažu da će označiti novu eru za praktičnu upotrebu supravodljivih materijala .   

Izvor