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Grafene: un passo da gigante verso i superconduttori a temperatura ambiente

SCIENZECHIMICAGrafene: un passo da gigante verso i superconduttori a temperatura ambiente

Un recente studio innovativo ha mostrato le proprietà uniche del materiale grafene per una possibilità a lungo termine di sviluppare finalmente superconduttori economici e pratici da usare.

A superconduttore è un materiale che può condurre (trasmettere) elettricità senza resistenza. Questa resistenza è definita come una perdita di energia che si verifica durante il processo. Quindi, qualsiasi materiale diventa superconduttivo quando è in grado di condurre elettricità, a quella particolare "temperatura" o condizione, senza rilascio di calore, suono o qualsiasi altra forma di energia. I superconduttori sono efficienti al 100%, ma la maggior parte dei materiali richiede di essere in uno stato energetico estremamente basso per diventare superconduttori, il che significa che devono essere molto freddi. La maggior parte dei superconduttori deve essere raffreddata con elio liquido a una temperatura molto bassa di circa -270 gradi Celsius. Pertanto, qualsiasi applicazione superconduttiva è generalmente abbinata a una sorta di raffreddamento criogenico/bassa temperatura attivo o passivo. Questa procedura di raffreddamento richiede di per sé una quantità eccessiva di energia e l'elio liquido non è solo molto costoso ma anche non rinnovabile. Pertanto, la maggior parte dei superconduttori convenzionali o "a bassa temperatura" sono inefficienti, hanno i loro limiti, sono antieconomici, costosi e poco pratici per l'uso su larga scala.

Superconduttori ad alta temperatura

Il campo dei superconduttori ha fatto un grande salto a metà degli anni '1980 quando è stato scoperto un composto di ossido di rame che potrebbe essere superconduttore a -238 gradi Celsius. Questo è ancora freddo, ma molto più caldo delle temperature dell'elio liquido. Questo era noto come il primo "superconduttore ad alta temperatura" (HTC) mai scoperto, vincendo il premio Nobel, anche se il suo "alto" solo in un senso relativo più ampio. Pertanto, agli scienziati è venuto in mente che avrebbero potuto concentrarsi sulla ricerca di superconduttori che funzionano, diciamo con azoto liquido (-196° C) con il vantaggio che è disponibile in abbondanza ed è anche economico. I superconduttori ad alta temperatura hanno anche applicazioni in cui sono richiesti campi magnetici molto elevati. Le loro controparti a bassa temperatura smettono di funzionare a circa 23 tesla (tesla è un'unità di intensità del campo magnetico) quindi non possono essere utilizzate per creare magneti più potenti. Ma i materiali superconduttori ad alta temperatura possono funzionare a più del doppio di quel campo, e probabilmente anche più in alto. Poiché i superconduttori generano grandi campi magnetici, sono un componente essenziale negli scanner e nei treni levitanti. Ad esempio, la risonanza magnetica oggi (Magnetic Resonance Imaging) è una tecnica che utilizza questa qualità per osservare e studiare materiali, malattie e molecole complesse nel corpo. Altre applicazioni includono lo stoccaggio di elettricità su scala di rete grazie a linee elettriche efficienti dal punto di vista energetico (ad esempio, i cavi superconduttori possono fornire 10 volte più energia dei cavi di rame della stessa dimensione), generatori di energia eolica e anche supercomputer. I dispositivi in ​​grado di immagazzinare energia per milioni di anni può essere creata con i superconduttori.

Gli attuali superconduttori ad alta temperatura hanno i loro limiti e sfide. Oltre ad essere molto costosi a causa della necessità di un dispositivo di raffreddamento, questi superconduttori sono realizzati con materiali fragili e non sono facili da modellare e quindi non possono essere utilizzati per realizzare cavi elettrici. Il materiale potrebbe anche essere chimicamente instabile in certi ambienti ed estremamente sensibile alle impurità dall'atmosfera e dall'acqua e quindi deve essere generalmente racchiuso. Quindi c'è solo una corrente massima che i materiali superconduttori possono trasportare e al di sopra di una densità di corrente critica, la superconduttività si interrompe limitando la corrente. Costi enormi e impraticabilità stanno ostacolando l'uso di buoni superconduttori, specialmente nei paesi in via di sviluppo. Gli ingegneri, nella loro immaginazione, vorrebbero davvero un superconduttore ferromagnetico morbido, malleabile e impermeabile alle impurità o alla corrente applicata e ai campi magnetici. Chiedere troppo!

Potrebbe essere il grafene!

Il criterio centrale di un superconduttore di successo è trovare un'alta temperatura superconduttorer, lo scenario ideale è la temperatura ambiente. Tuttavia, i materiali più recenti sono ancora limitati e sono molto difficili da realizzare. C'è ancora un apprendimento continuo in questo campo sulla metodologia esatta adottata da questi superconduttori ad alta temperatura e su come gli scienziati potrebbero arrivare a un nuovo design pratico. Uno degli aspetti impegnativi dei superconduttori ad alta temperatura è che non si sa molto bene cosa aiuti realmente gli elettroni in un materiale ad accoppiarsi. In un recente studio è stato dimostrato per la prima volta che il materiale grafene ha una qualità superconduttiva intrinseca e possiamo davvero creare un superconduttore di grafene allo stato naturale del materiale. Il grafene, un materiale puramente a base di carbonio, è stato scoperto solo nel 2004 ed è il materiale più sottile conosciuto. È anche leggero e flessibile con ogni foglio composto da atomi di carbonio disposti esagonali. Si vede che è più forte dell'acciaio ed esprime una conduttività elettrica molto migliore rispetto al rame. Quindi, è un materiale multidimensionale con tutte queste proprietà promettenti.

Fisici del Massachusetts Institute of Technology e della Harvard University, USA, il cui lavoro è pubblicato in due articoli1,2 in Natura, hanno riferito di essere in grado di sintonizzare il materiale grafene per mostrare due comportamenti elettrici estremi: come isolante in cui non consente il passaggio di alcuna corrente e come superconduttore in cui consente il passaggio della corrente senza alcuna resistenza. È stato creato un "superreticolo" di due fogli di grafene impilati insieme ruotati leggermente con un "angolo magico" di 1.1 gradi. Questa particolare disposizione a nido d'ape esagonale sovrapposta è stata realizzata in modo da indurre potenzialmente "interazioni fortemente correlate" tra gli elettroni nei fogli di grafene. E questo è successo perché il grafene poteva condurre elettricità con resistenza zero a questo "angolo magico" mentre qualsiasi altra disposizione impilata manteneva il grafene come distinto e non c'era interazione con gli strati vicini. Hanno mostrato un modo per far sì che il grafene adotti da solo una qualità intrinseca alla supercondotta. Il motivo per cui questo è altamente rilevante è perché lo stesso gruppo aveva precedentemente sintetizzato superconduttori di grafene mettendo il grafene in contatto con altri metalli superconduttori consentendogli di ereditare alcuni comportamenti superconduttori ma non poteva ottenere con il solo grafene. Questo è un rapporto innovativo perché le capacità conduttive del grafene sono note da tempo, ma è la prima volta in assoluto che la superconduttività del grafene è stata raggiunta senza alterare o aggiungere altri materiali. Pertanto, il grafene potrebbe essere utilizzato per creare un transistor simile a un dispositivo in un circuito superconduttore e la superconduttività espressa dal grafene potrebbe essere incorporata in dispositivi elettronici molecolari con nuove funzionalità.

Questo ci riporta a tutti i discorsi sui superconduttori ad alta temperatura e sebbene questo sistema avesse ancora bisogno di essere raffreddato a 1.7 gradi Celsius, la produzione e l'utilizzo di grafene per grandi progetti sembra realizzabile ora studiando la sua superconduttività non convenzionale. A differenza dei superconduttori convenzionali, l'attività del grafene non può essere spiegata dalla teoria tradizionale della superconduttività. Tale attività non convenzionale è stata osservata in complessi ossidi di rame chiamati cuprati, noti per condurre elettricità fino a 133 gradi Celsius, ed è stata al centro della ricerca per diversi decenni. Tuttavia, a differenza di questi cuprati, un sistema di grafene impilato è abbastanza semplice e anche il materiale è compreso meglio. Solo ora il grafene è stato scoperto come un superconduttore puro, ma il materiale in sé ha molte capacità eccezionali che erano note in precedenza. Questo lavoro apre la strada a un ruolo più forte del grafene e allo sviluppo di superconduttori ad alta temperatura che sono rispettosi dell'ambiente e più efficienti dal punto di vista energetico e, soprattutto, funzionano a temperatura ambiente, eliminando la necessità di costosi sistemi di raffreddamento. Ciò potrebbe rivoluzionare la trasmissione di energia, i magneti di ricerca, i dispositivi medici in particolare gli scanner e potrebbe davvero rivedere il modo in cui l'energia viene trasmessa nelle nostre case e uffici.

***

{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

1. Yuan C et al. 2018. Comportamento dell'isolante correlato a metà riempimento nei superreticoli di grafene ad angolo magico. Natura. https://doi.org/10.1038/nature26154

2. Yuan C et al. 2018. Superconduttività non convenzionale nei superreticoli di grafene ad angolo magico. Natura. https://doi.org/10.1038/nature26160

Squadra SCIEU
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