최근의 획기적인 연구는 최종적으로 경제적이고 실용적인 초전도체를 개발할 수 있는 장기적 가능성에 대한 재료 그래핀의 고유한 특성을 보여주었습니다.
A 초전도체 전도(전송)할 수 있는 물질입니다. 전기 저항 없이. 이 저항은 다음과 같은 일부 손실로 정의됩니다. 에너지 그 과정에서 일어나는 일. 따라서 어떤 물질이든 전기를 전도할 수 있을 때 초전도체가 됩니다.온도' 또는 열, 소리 또는 기타 형태의 에너지가 방출되지 않는 상태입니다. 초전도체는 100% 효율적이지만 대부분의 재료는 극도로 낮은 효율을 요구합니다. 에너지 초전도체가 되려면 매우 차가워야 합니다. 대부분의 초전도체는 액체 헬륨을 사용해 섭씨 -270도 정도의 매우 낮은 온도까지 냉각되어야 합니다. 따라서 초전도 응용 분야는 일반적으로 일종의 능동 또는 수동 극저온/저온 냉각과 결합됩니다. 이 냉각 절차에는 그 자체로 과도한 양의 에너지가 필요하며 액체 헬륨은 매우 비쌀 뿐만 아니라 재생이 불가능합니다. 따라서 대부분의 기존 초전도체 또는 "저온" 초전도체는 비효율적이고 한계가 있으며 비경제적이고 비싸며 대규모 사용에는 비실용적입니다.
고온 초전도체
초전도체 분야는 1980년대 중반 -238도에서 초전도할 수 있는 산화구리 화합물이 발견되면서 크게 도약했습니다. 이것은 여전히 차갑지만 액체 헬륨 온도보다 훨씬 따뜻합니다. 이것은 노벨상을 수상한 최초의 "고온 초전도체"(HTC)로 알려져 있지만 "높음"은 더 큰 상대적인 의미일 뿐입니다. 따라서 과학자들은 액체 질소(-196°C)가 풍부하고 저렴하다는 장점이 있는 작동하는 초전도체를 궁극적으로 찾는 데 집중할 수 있다고 생각했습니다. 고온 초전도체는 매우 높은 자기장이 필요한 응용 분야도 있습니다. 저온 대응 제품은 약 23테슬라(테슬라는 자기장 강도의 단위)에서 작동을 멈추므로 더 강한 자석을 만드는 데 사용할 수 없습니다. 그러나 고온 초전도 물질은 그 분야의 두 배 이상, 아마도 더 높은 곳에서 작동할 수 있습니다. 초전도체는 큰 자기장을 생성하기 때문에 스캐너 및 공중 부양 열차의 필수 구성 요소입니다. 예를 들어, 오늘날 MRI(Magnetic Resonance Imaging)는 이 품질을 사용하여 신체의 물질, 질병 및 복잡한 분자를 보고 연구하는 기술입니다. 다른 응용 프로그램에는 에너지 효율적인 전력선(예: 초전도 케이블은 동일한 크기의 구리선보다 10배 많은 전력을 제공할 수 있음), 풍력 발전기 및 슈퍼컴퓨터를 사용하여 전력을 그리드 규모로 저장하는 것이 포함됩니다. 수백만 년 동안의 에너지는 초전도체로 만들 수 있습니다.
현재의 고온 초전도체는 나름대로의 한계와 과제가 있습니다. 이러한 초전도체는 냉각 장치가 필요하기 때문에 매우 고가일 뿐만 아니라 부서지기 쉬운 재료로 만들어지기 때문에 성형이 쉽지 않아 전선을 만드는 데 사용할 수 없습니다. 또한 이 물질은 특정 환경에서 화학적으로 불안정하고 대기 및 물의 불순물에 극도로 민감할 수 있으므로 일반적으로 포장해야 합니다. 그런 다음 초전도 물질이 전달할 수 있는 최대 전류만 있고 임계 전류 밀도 이상에서는 초전도가 전류를 제한하여 분해됩니다. 막대한 비용과 비실용성은 특히 개발도상국에서 우수한 초전도체의 사용을 방해하고 있습니다. 엔지니어들은 상상 속에서 불순물이나 인가된 전류 및 자기장에 영향을 받지 않는 부드럽고 가단성 있는 강자성 초전도체를 원할 것입니다. 너무 많은 것을 요구합니다!
그래핀이 될 수 있습니다!
성공적인 초전도체의 핵심 기준은 높은 온도를 찾는 것입니다. 초전도체r, 이상적인 시나리오는 실온입니다. 그러나 새로운 재료는 여전히 제한적이며 만들기가 매우 어렵습니다. 이 고온 초전도체가 채택한 정확한 방법론과 과학자들이 실용적인 새로운 설계에 도달하는 방법에 대해 이 분야에서 계속해서 학습하고 있습니다. 고온 초전도체의 도전적인 측면 중 하나는 물질의 전자가 쌍을 이루는 데 실제로 도움이 되는 것이 무엇인지 잘 이해되지 않는다는 것입니다. 최근 연구에서 처음으로 물질이 그래 핀 고유의 초전도 특성을 가지고 있어 재료 자체의 자연 상태에서 그래핀 초전도체를 실제로 만들 수 있습니다. 순수 탄소 기반 물질인 그래핀은 2004년에야 발견되었으며 알려진 가장 얇은 물질입니다. 또한 육각형으로 배열된 탄소 원자로 구성된 각 시트로 가볍고 유연합니다. 강철보다 강하고 구리에 비해 훨씬 우수한 전기전도성을 나타낸다. 따라서 이러한 모든 유망한 특성을 가진 다차원 재료입니다.
미국 매사추세츠 공과대학과 하버드 대학교의 물리학자들이 두 개의 논문으로 연구를 발표했습니다.1,2 in 자연, 그들은 물질 그래핀을 조정하여 전류가 흐르지 않는 절연체와 저항 없이 전류가 흐를 수 있는 초전도체라는 두 가지 극단적인 전기적 거동을 나타내도록 조정할 수 있다고 보고했습니다. 1.1개의 그래핀 시트의 "초격자"가 XNUMX도의 "마법의 각도"로 약간 회전하여 함께 적층되어 생성되었습니다. 이 특정 오버레이 육각형 벌집 패턴 배열은 그래핀 시트의 전자 사이에 "강하게 상관된 상호 작용"을 잠재적으로 유도하기 위해 수행되었습니다. 그리고 이것은 그래핀이 이 "마법의 각도"에서 저항이 XNUMX인 전기를 전도할 수 있는 반면 다른 적층 배열은 그래핀을 뚜렷하게 유지하고 인접 층과의 상호 작용이 없기 때문에 발생했습니다. 그들은 그래핀이 자체적으로 초전도성에 고유한 품질을 채택하도록 하는 방법을 보여주었습니다. 이것이 높은 관련성이 있는 이유는 동일한 그룹이 이전에 그래핀을 다른 초전도 금속과 접촉시켜 일부 초전도 동작을 상속할 수 있도록 하여 그래핀 초전도체를 합성했지만 그래핀만으로는 달성할 수 없었기 때문입니다. 그래핀의 전도성이 알려진 지 얼마 되지 않았지만, 그래핀에 다른 물질을 변경하거나 추가하지 않고 그래핀의 초전도성을 달성한 것은 처음이라는 점에서 획기적인 보고입니다. 초전도 회로의 소자 및 그래핀으로 표현되는 초전도성은 새로운 기능을 가진 분자 전자 소자에 통합될 수 있습니다.
이것은 고온 초전도체에 대한 모든 이야기로 돌아가게 하며 이 시스템은 여전히 섭씨 1.7도까지 냉각되어야 하지만 비전통적인 초전도성을 조사함으로써 대규모 프로젝트를 위한 그래핀을 생산하고 사용하는 것이 이제 달성 가능해 보입니다. 기존의 초전도체와 달리 그래핀의 활성은 주류 초전도 이론으로는 설명할 수 없습니다. 이러한 색다른 활동은 최대 섭씨 133도에서도 전기를 전도하는 것으로 알려진 구리산화물(cuprates)이라고 불리는 복합 구리 산화물에서 볼 수 있으며, 수십 년 동안 연구의 초점이 되어 왔습니다. 그러나 이러한 큐레이트와 달리 적층형 그래핀 시스템은 매우 간단하며 재료에 대한 이해도도 더 좋습니다. 이제서야 그래핀이 순수한 초전도체로 발견되었지만, 그 물질 자체에는 이전에 알려진 뛰어난 성능이 많이 있습니다. 이번 연구를 통해 그래핀의 역할이 더욱 강화되고 친환경적이고 보다 친환경적인 고온 초전도체 개발이 가능해졌습니다. 에너지 효율적이고 가장 중요한 것은 실온에서 작동하므로 값비싼 냉각이 필요하지 않습니다. 이는 에너지 전송, 연구 자석, 의료 기기, 특히 스캐너에 혁명을 일으킬 수 있으며 집과 사무실에서 에너지가 전송되는 방식을 실제로 점검할 수 있습니다.
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출처
1. Yuan C et al. 2018. 매직 앵글 그래핀 초격자에서 하프 필링 시 상호 관련된 절연체 거동. 자연. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. 매직 각 그래핀 초격자의 비전통적인 초전도. 자연. https://doi.org/10.1038/nature26160
