Νέο υλικό υπόσχεται τεχνολογική επανάσταση: Υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου

 

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature και διεξήχθη από το εργαστήριο του Ράνγκα Ντίας, επίκουρου καθηγητή μηχανολόγων- μηχανικών, φυσικής και αστρονομίας.

Ο Ντίας λέει πως η ανάπτυξη υλικών με υπεραγωγιμότητα- χωρίς ηλεκτρική αντίσταση και με αποβολή μαγνητικού πεδίου σε θερμοκρασία δωματίου- αποτελεί το «Άγιο Δισκοπότηρο» της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Όπως εκτιμά ο ίδιος, τέτοια υλικά θα μπορούσαν να «αλλάξουν τον κόσμο όπως τον γνωρίζουμε».

Ο Ντίας και οι συνεργάτες του συνδύασαν υδρογόνο με άνθρακα και θείο για να συνθέσουν φωτοχημικά ανθρακούχο υδρίδιο του θείου σε μια ειδική ερευνητική συσκευή που χρησιμοποιείται για την εξέταση μικροσκοπικών ποσοτήτων υλικών υπό εξαιρετικά υψηλές πιέσεις. Το υλικό παρουσίασε υπεραγωγιμότητα στους 58 βαθμούς Φαρενάιτ (14,4 βαθμούς Κελσίου) και σε πίεση περίπου 39 εκατομμυρίων psi (pounds per square inch). «Λόγω των ορίων της χαμηλής θερμοκρασίας, υλικά με τόσο ασυνήθιστες ιδιότητες δεν έχουν ακριβώς αλλάξει τον κόσμο με τον τρόπο που πολλοί θα φαντάζονταν. Ωστόσο, η ανακάλυψή μας θα γκρεμίσει αυτά τα εμπόδια και θα ανοίξει τον δρόμο σε πολλές πιθανές εφαρμογές» είπε ο Ντίας.

Οι εν δυνάμει εφαρμογές είναι πολλές, και περιλαμβάνουν δίκτυα ηλεκτροδότησης που μεταδίδουν ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια μέχρι και 200 MWh που λαμβάνει χώρα τώρα λόγω αντίστασης στα καλώδια, καθώς και έναν νέο τρόπο για κίνηση αιωρούμενων τρένων και άλλων ειδών μεταφοράς. Επίσης, ανοίγουν νέους ορίζοντες στην ιατρική, με πιθανές αναβαθμίσεις σε τεχνικές imaging και σάρωσης, όπως το MRI και η μαγνητοκαρδιογραφία- ενώ πολλές είναι και οι εν δυνάμει εφαρμογές στα ηλεκτρονικά, και συγκεκριμένα σε τομείς όπως η ψηφιακή λογική και οι συσκευές μνήμης.

«Ζούμε σε μια κοινωνία ημιαγωγών, και με αυτού του είδους την τεχνολογία μπορείς να μετατρέψεις την κοινωνία σε μια κοινωνία υπεραγωγών, όπου δεν θα χρειαστείς ξανά πράγματα όπως μπαταρίες» είπε ο Ασκάν Σαλαμάτ του University of Nevada Las Vegas- άλλος ένας εκ των ερευνητών.

Η ποσότητα του υπεραγώγιμου υλικού που δημιουργήθηκε μετράται σε πικολίτρα- σχεδόν το μέγεθος σταγονιδίων ψεκασμού σε εκτυπωτές. Η επόμενη πρόκληση, όπως λέει ο Ντίας, είναι η ανακάλυψη τρόπων για τη δημιουργία υπεραγώγιμων υλικών θερμοκρασίας δωματίου σε χαμηλότερες πιέσεις, έτσι ώστε να είναι οικονομική η παραγωγή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα. Αξίζει να σημειωθεί πως, συγκριτικά με την πίεση που δημιουργήθηκε στην ειδική συσκευή (ένα «αμόνι» διαμαντιού), η ατμοσφαιρική πίεση στη Γη, στο επίπεδο της στάθμης της θάλασσας, είναι γύρω στα 15 psi.

Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε το 1911 και δίνει δύο ιδιότητες στα υλικά: Η ηλεκτρική αντίσταση εξαφανίζεται και οποιαδήποτε υπόνοια μαγνητικού πεδίου αποβάλλεται, λόγω ενός φαινομένου που είναι γνωστό ως φαινόμενο Μάισνερ (Meissner effect). Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου πρέπει να περνούν γύρω από το υπεραγώγιμο υλικό, καθιστώντας δυνατή την αιώρηση τέτοιων υλικών- κάτι που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τους σκοπούς τρένων υψηλών ταχυτήτων, των γνωστών τρένων maglev. Ισχυροί υπεραγώγιμοι ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται ήδη σε τέτοια τρένα, σε MRI και σε συσκευές NMR (nuclear magnetic resonance), επιταχυντές σωματιδίων και άλλες προηγμένες τεχνολογίες. Ωστόσο τα υπεραγώγιμα υλικά που χρησιμοποιούνται στις συσκευές αυτές λειτουργούν συνήθως σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες- χαμηλότερες από οποιεσδήποτε φυσικές θερμοκρασίες στη Γη. Ο περιορισμός αυτός καθιστά δαπανηρή τη διατήρησή τους- και πολύ ακριβή για να επεκταθεί και σε άλλες πιθανές εφαρμογές. «Το κόστος για να διατηρούμε αυτά τα υλικά σε τέτοιες θερμοκρασίες είναι τόσο υψηλό που δεν μπορείς στα αλήθεια να τα εκμεταλλευτείς πλήρως» είπε ο Ντίας.

Μέχρι τώρα το ρεκόρ υψηλής θερμοκρασίας για υπεραγώγιμο υλικό είχε επιτευχθεί πέρυσι στο εργαστήριο του Μιχαήλ Έρεμετς στο Ινστιτούτο Χημείας Max Planck στη Γερμανία και στην ομάδα Russell Hemley στο University of Illinois at Chicago, με υπεραγωγιμότητα σε -10 με 8 βαθμούς Φαρενάιτ, μέσω της χρήσης υπερ-υδρίτη λανθανίου. Ερευνητές έχουν δουλέψει επίσης πάνω σε οξείδια του χαλκού και σε χημικά με βάση τον σίδηρο, ωστόσο το υδρογόνο- το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν αποτελεί επίσης ένα πολλά υποσχόμενο δομικό υλικό.