การศึกษาครั้งใหม่เมื่อเร็วๆ นี้ได้แสดงให้เห็นคุณสมบัติเฉพาะของกราฟีนวัสดุสำหรับความเป็นไปได้ในระยะยาวในการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่ประหยัดและใช้งานได้จริงในที่สุด
A ตัวนำยิ่งยวด เป็นวัสดุที่สามารถนำ (ส่งผ่าน) ได้ กระแสไฟฟ้า ปราศจากการต่อต้าน ความต้านทานนี้ถูกกำหนดให้เป็นการสูญเสียบางส่วน พลังงาน ซึ่งเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการ ดังนั้น วัสดุใดก็ตามจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อสามารถนำไฟฟ้าได้ 'อุณหภูมิ' หรือสภาวะใด ๆ โดยไม่ปล่อยความร้อน เสียง หรือพลังงานอื่นใดออกมา ตัวนำยิ่งยวดมีประสิทธิภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ แต่วัสดุส่วนใหญ่ต้องมีอุณหภูมิต่ำมาก พลังงาน สถานะจึงจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องเย็นมาก ตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่จำเป็นต้องระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากประมาณ -270 องศาเซลเซียส ดังนั้นการใช้งานตัวนำยิ่งยวดโดยทั่วไปมักใช้ร่วมกับการระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ ขั้นตอนการทำความเย็นนี้ต้องใช้พลังงานในปริมาณที่มากเกินไปในตัวเอง และฮีเลียมเหลวไม่เพียงแต่มีราคาแพงมากเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถหมุนเวียนได้อีกด้วย ดังนั้น ตัวนำยิ่งยวดแบบธรรมดาหรือ "อุณหภูมิต่ำ" ส่วนใหญ่จึงไม่มีประสิทธิภาพ มีข้อจำกัด ไม่ประหยัด มีราคาแพง และไม่สามารถใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่
ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
สาขาของตัวนำยิ่งยวดได้ก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 เมื่อค้นพบสารประกอบคอปเปอร์ออกไซด์ซึ่งสามารถตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ -238 องศาเซลเซียส อุณหภูมินี้ยังคงเย็นอยู่ แต่อุ่นกว่าอุณหภูมิฮีเลียมเหลวมาก สิ่งนี้เรียกว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" (HTC) ตัวแรกที่เคยค้นพบและได้รับรางวัลโนเบลถึงแม้จะ "สูง" ในแง่ที่สัมพันธ์กันมากกว่าเท่านั้น ดังนั้นจึงเกิดขึ้นกับนักวิทยาศาสตร์ว่าพวกเขาสามารถมุ่งเน้นไปที่การค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่ใช้งานได้ในที่สุด สมมติว่าไนโตรเจนเหลว (-196° C) มีผลบวกที่มีในปริมาณมากและราคาถูกด้วย ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงยังมีการใช้งานที่ต้องการสนามแม่เหล็กที่สูงมาก คู่หูอุณหภูมิต่ำของพวกเขาหยุดทำงานที่ประมาณ 23 เทสลา (เทสลาเป็นหน่วยของความแรงของสนามแม่เหล็ก) ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้เพื่อสร้างแม่เหล็กที่แรงกว่าได้ แต่วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงสามารถทำงานได้มากกว่าสองเท่าของสนามนั้น และมีแนวโน้มว่าจะสูงกว่านั้นอีก เนื่องจากตัวนำยิ่งยวดสร้างสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ พวกมันจึงเป็นองค์ประกอบสำคัญในเครื่องสแกนและรถไฟลอยน้ำ ตัวอย่างเช่น MRI ในปัจจุบัน (Magnetic Resonance Imaging) เป็นเทคนิคที่ใช้คุณภาพนี้ในการดูและศึกษาวัสดุ โรค และโมเลกุลที่ซับซ้อนในร่างกาย การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ การจัดเก็บไฟฟ้าในระดับกริดโดยมีสายไฟที่ประหยัดพลังงาน (เช่น สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดสามารถให้พลังงานได้มากถึง 10 เท่าของสายไฟคูเปอร์ที่มีขนาดเท่ากัน) เครื่องกำเนิดพลังงานลมและซูเปอร์คอมพิวเตอร์ พลังงานเป็นเวลาหลายล้านปีสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยตัวนำยิ่งยวด
ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงในปัจจุบันมีข้อจำกัดและความท้าทายในตัวเอง นอกจากจะมีราคาแพงมากเพราะต้องใช้อุปกรณ์ทำความเย็นแล้ว ตัวนำยิ่งยวดเหล่านี้ยังทำมาจากวัสดุที่เปราะบางและมีรูปร่างไม่ง่าย ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ทำสายไฟฟ้าได้ วัสดุดังกล่าวอาจไม่เสถียรทางเคมีในสภาพแวดล้อมบางอย่างและไวต่อสิ่งเจือปนอย่างมากจากบรรยากาศและน้ำ ดังนั้นจึงต้องห่อหุ้มไว้โดยทั่วไป จากนั้นจะมีเพียงกระแสสูงสุดที่วัสดุตัวนำยิ่งยวดสามารถบรรทุกได้และอยู่เหนือความหนาแน่นกระแสวิกฤต ค่าใช้จ่ายจำนวนมากและความเป็นไปไม่ได้ที่เป็นอุปสรรคต่อการใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ดีโดยเฉพาะในประเทศกำลังพัฒนา ในจินตนาการของวิศวกร วิศวกรต้องการตัวนำยิ่งยวดแบบเฟอร์โรแมกเนติกที่อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่นได้ ซึ่งกันสิ่งเจือปนหรือสนามแม่เหล็กที่ใช้ ขอมากเกินไป!
กราฟีนอาจเป็นได้!
เกณฑ์กลางของตัวนำยิ่งยวดที่ประสบความสำเร็จคือการหาอุณหภูมิสูง ตัวนำยิ่งยวดr สถานการณ์ในอุดมคติคืออุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ใหม่กว่ายังคงมีอยู่อย่างจำกัดและยากต่อการผลิตมาก ยังคงมีการเรียนรู้อย่างต่อเนื่องในสาขานี้เกี่ยวกับวิธีการที่แน่นอนที่ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเหล่านี้นำมาใช้และวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สามารถบรรลุการออกแบบใหม่ซึ่งใช้งานได้จริง แง่มุมที่ท้าทายอย่างหนึ่งของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงคือไม่เข้าใจสิ่งที่ช่วยให้อิเล็กตรอนในวัสดุจับคู่กันได้ ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าวัสดุ กราฟีน มีคุณภาพตัวนำยิ่งยวดภายใน และเราสามารถสร้างตัวนำยิ่งยวดกราฟีนในสภาพธรรมชาติของวัสดุได้อย่างแท้จริง กราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบล้วน ถูกค้นพบในปี 2004 เท่านั้น และเป็นวัสดุที่บางที่สุดที่รู้จัก นอกจากนี้ยังเบาและยืดหยุ่นโดยแต่ละแผ่นประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่จัดเรียงเป็นหกเหลี่ยม แข็งแกร่งกว่าเหล็กกล้าและแสดงค่าการนำไฟฟ้าได้ดีกว่ามากเมื่อเทียบกับทองแดง ดังนั้นจึงเป็นวัสดุหลายมิติที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจเหล่านี้
นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งมีผลงานตีพิมพ์เป็น XNUMX ฉบับ1,2 in ธรรมชาติได้รายงานว่าพวกเขาสามารถปรับแต่งกราฟีนของวัสดุให้แสดงพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่รุนแรงได้สองแบบ - เป็นฉนวนที่ไม่ยอมให้กระแสไหลผ่านและเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ช่วยให้กระแสผ่านได้โดยไม่มีความต้านทานใดๆ "superlattice" ของแผ่น graphene สองแผ่นถูกสร้างซ้อนกันโดยหมุนเล็กน้อยที่ "มุมมหัศจรรย์" ที่ 1.1 องศา การจัดเรียงรูปแบบรังผึ้งหกเหลี่ยมที่ซ้อนทับกันนี้ทำขึ้นเพื่อกระตุ้นให้เกิด "ปฏิสัมพันธ์ที่มีความสัมพันธ์อย่างมาก" ระหว่างอิเล็กตรอนในแผ่นกราฟีน และสิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะกราฟีนสามารถนำไฟฟ้าได้โดยมีค่าความต้านทานเป็นศูนย์ที่ "มุมมหัศจรรย์" นี้ ในขณะที่การจัดเรียงแบบเรียงซ้อนอื่นๆ ทำให้กราฟีนมีความชัดเจนและไม่มีปฏิสัมพันธ์กับชั้นที่อยู่ใกล้เคียง พวกเขาแสดงวิธีที่จะทำให้กราฟีนนำคุณภาพที่แท้จริงมาใช้ในการดำเนินการขั้นสูงด้วยตัวมันเอง เหตุใดจึงมีความเกี่ยวข้องสูงเนื่องจากกลุ่มเดียวกันนี้เคยสังเคราะห์ตัวนำยิ่งยวดกราฟีนโดยการวางกราฟีนในการสัมผัสกับโลหะตัวนำยิ่งยวดอื่น ๆ ทำให้สามารถสืบทอดพฤติกรรมตัวนำยิ่งยวดบางอย่างได้ แต่กราฟีนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ นี่เป็นรายงานที่ไม่เคยมีมาก่อนเนื่องจากความสามารถในการนำไฟฟ้าของกราฟีนเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่นี่นับเป็นครั้งแรกที่มีการนำไฟฟ้ายิ่งยวดของกราฟีนมาโดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงหรือเพิ่มวัสดุอื่นเข้าไป ดังนั้น กราฟีนจึงสามารถนำมาใช้ทำเป็นทรานซิสเตอร์ได้ อุปกรณ์ในวงจรตัวนำยิ่งยวดและตัวนำยิ่งยวดที่แสดงโดยกราฟีนสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุลที่มีฟังก์ชันการทำงานใหม่
สิ่งนี้นำเรากลับมาที่การพูดคุยทั้งหมดเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง และแม้ว่าระบบนี้ยังต้องมีการระบายความร้อนถึง 1.7 องศาเซลเซียส การผลิตและการใช้กราฟีนสำหรับโครงการขนาดใหญ่ดูสามารถทำได้ในขณะนี้โดยการตรวจสอบความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แหวกแนว กิจกรรมของกราฟีนไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีกระแสหลักของความเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งแตกต่างจากตัวนำยิ่งยวดทั่วไป กิจกรรมที่แหวกแนวดังกล่าวพบเห็นได้ในคอปเปอร์ออกไซด์เชิงซ้อนที่เรียกว่าคัพเรต ซึ่งนำไฟฟ้าได้สูงถึง 133 องศาเซลเซียส และเป็นจุดสนใจของการวิจัยมานานหลายทศวรรษ แม้ว่าระบบกราฟีนแบบเรียงซ้อนจะแตกต่างจากคัพเรตเหล่านี้ค่อนข้างเรียบง่ายและเข้าใจวัสดุได้ดีขึ้นเช่นกัน ตอนนี้กราฟีนถูกค้นพบว่าเป็นตัวนำยิ่งยวดบริสุทธิ์ แต่วัสดุในตัวมันเองมีความสามารถที่โดดเด่นมากมายซึ่งเราทราบกันดีอยู่แล้ว งานนี้ปูทางไปสู่บทบาทที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นของกราฟีนและการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและอื่นๆ อีกมากมาย พลังงาน มีประสิทธิภาพและที่สำคัญที่สุดคือทำงานที่อุณหภูมิห้องโดยไม่จำเป็นต้องทำความเย็นราคาแพง สิ่งนี้สามารถปฏิวัติการส่งผ่านพลังงาน แม่เหล็กสำหรับการวิจัย อุปกรณ์ทางการแพทย์ โดยเฉพาะเครื่องสแกน และอาจยกเครื่องวิธีการส่งพลังงานในบ้านและสำนักงานของเราได้อย่างแท้จริง
***
{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}
แหล่งที่มา (s)
1. หยวนซีและคณะ ค.ศ. 2018 พฤติกรรมฉนวนที่สัมพันธ์กันเมื่อเติมครึ่งหนึ่งใน superlattices กราฟีนมุมมหัศจรรย์ ธรรมชาติ. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. หยวนซีและคณะ 2018. ความเป็นตัวนำยิ่งยวดแหวกแนวใน superlattices กราฟีนมายากลมุม ธรรมชาติ. https://doi.org/10.1038/nature26160
