Kajian terobosan baru-baru ini telah menunjukkan sifat unik bahan graphene untuk kemungkinan jangka panjang akhirnya membangunkan superkonduktor yang menjimatkan dan praktikal untuk digunakan.
A superkonduktor is a material which can conduct (transmit) elektrik without resistance. This resistance is defined as some loss of tenaga which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘suhu’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low tenaga state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
Superkonduktor suhu tinggi
Bidang superkonduktor mengambil lonjakan besar pada pertengahan 1980-an apabila sebatian oksida kuprum ditemui yang boleh superkonduktor pada -238 darjah Celsius. Ini masih sejuk, tetapi lebih panas daripada suhu helium cecair. Ini dikenali sebagai "superkonduktor suhu tinggi" (HTC) pertama yang pernah ditemui, memenangi hadiah Nobel, walaupun "tinggi" hanya dalam pengertian relatif yang lebih besar. Oleh itu, terfikir oleh saintis bahawa mereka boleh menumpukan pada akhirnya mencari superkonduktor yang berfungsi, katakan dengan nitrogen cecair (-196° C) yang mempunyai kelebihan yang boleh didapati dengan banyak dan juga murah. Superkonduktor suhu tinggi juga mempunyai aplikasi di mana medan magnet yang sangat tinggi diperlukan. Rakan sejawat suhu rendah mereka berhenti bekerja pada sekitar 23 teslas (tesla ialah unit kekuatan medan magnet) jadi mereka tidak boleh digunakan untuk membuat magnet yang lebih kuat. Tetapi bahan superkonduktor suhu tinggi boleh bekerja pada lebih daripada dua kali medan itu, dan mungkin lebih tinggi. Oleh kerana superkonduktor menjana medan magnet yang besar, ia adalah komponen penting dalam pengimbas dan kereta api melayang. Sebagai contoh, MRI hari ini (Pengimejan Resonans Magnetik) adalah teknik yang menggunakan kualiti ini untuk melihat dan mengkaji bahan, penyakit dan molekul kompleks dalam badan. Aplikasi lain termasuk penyimpanan elektrik skala grid dengan mempunyai talian kuasa cekap tenaga (contohnya, kabel superkonduktor boleh memberikan kuasa 10 kali ganda berbanding wayar cooper saiz yang sama), penjana kuasa angin dan juga superkomputer. Peranti yang mampu menyimpan tenaga selama berjuta-juta tahun boleh dicipta dengan superkonduktor.
Superkonduktor suhu tinggi semasa mempunyai had dan cabarannya sendiri. Selain daripada sangat mahal kerana memerlukan alat penyejuk, superkonduktor ini diperbuat daripada bahan rapuh dan tidak mudah dibentuk dan dengan itu tidak boleh digunakan untuk membuat wayar elektrik. Bahan tersebut juga mungkin tidak stabil dari segi kimia dalam persekitaran tertentu dan sangat sensitif kepada kekotoran dari atmosfera dan air dan oleh itu ia harus secara amnya terbungkus. Kemudian hanya terdapat arus maksimum yang boleh dibawa oleh bahan superkonduktor dan di atas ketumpatan arus kritikal, superkonduktiviti rosak mengehadkan arus. Kos yang besar dan ketidakpraktisan menghalang penggunaan superkonduktor yang baik terutamanya di negara membangun. Jurutera, dalam imaginasi mereka, benar-benar mahukan superkonduktor feromagnetik yang lembut, mudah ditempa, yang kalis kepada bendasing atau medan arus dan magnet yang digunakan. Terlalu banyak untuk meminta!
Graphene boleh jadi!
Kriteria utama superkonduktor yang berjaya adalah untuk mencari suhu yang tinggi superkonduktorr, senario yang ideal ialah suhu bilik. Walau bagaimanapun, bahan yang lebih baru masih terhad dan sangat mencabar untuk dibuat. Masih terdapat pembelajaran berterusan dalam bidang ini tentang metodologi tepat yang diguna pakai oleh superkonduktor suhu tinggi ini dan bagaimana saintis boleh mencapai reka bentuk baharu yang praktikal. Salah satu aspek yang mencabar dalam superkonduktor suhu tinggi ialah ia sangat kurang difahami perkara yang benar-benar membantu elektron dalam bahan untuk berpasangan. Dalam satu kajian baru-baru ini telah ditunjukkan buat kali pertama bahawa bahan tersebut graphene mempunyai kualiti superkonduktor intrinsik dan kita benar-benar boleh membuat superkonduktor graphene dalam keadaan semula jadi bahan itu sendiri. Graphene, bahan berasaskan karbon semata-mata, ditemui hanya pada tahun 2004 dan merupakan bahan paling nipis yang diketahui. Ia juga ringan dan fleksibel dengan setiap helaian terdiri daripada atom karbon yang disusun secara heksagon. Ia dilihat lebih kuat daripada keluli dan ia menyatakan kekonduksian elektrik yang jauh lebih baik berbanding dengan tembaga. Oleh itu, ia adalah bahan berbilang dimensi dengan semua sifat yang menjanjikan ini.
Ahli fizik di Institut Teknologi Massachusetts dan Universiti Harvard, Amerika Syarikat, yang kerjanya diterbitkan dalam dua kertas kerja1,2 in Alam, telah melaporkan bahawa mereka dapat menala bahan graphene untuk menunjukkan dua kelakuan elektrik yang melampau – sebagai penebat yang tidak membenarkan sebarang arus mengalir dan sebagai superkonduktor yang membenarkan arus mengalir tanpa sebarang rintangan. Satu "superlattice" dua helaian graphene telah dicipta disusun bersama-sama diputar sedikit pada "sudut ajaib" 1.1 darjah. Susunan corak sarang lebah heksagon bertindih khusus ini telah dilakukan supaya berpotensi mendorong "interaksi berkorelasi kuat" antara elektron dalam helaian graphene. Dan ini berlaku kerana graphene boleh mengalirkan elektrik dengan rintangan sifar pada "sudut ajaib" ini manakala sebarang susunan bertindan lain mengekalkan graphene sebagai berbeza dan tiada interaksi dengan lapisan jiran. Mereka menunjukkan cara untuk menjadikan graphene menggunakan kualiti intrinsik kepada kelakuan super sendiri. Mengapa ini sangat relevan adalah kerana, kumpulan yang sama sebelum ini telah mensintesis superkonduktor graphene dengan meletakkan graphene bersentuhan dengan logam superkonduktor lain yang membolehkannya mewarisi beberapa tingkah laku superkonduktor tetapi tidak dapat dicapai dengan graphene sahaja. Ini adalah laporan terobosan kerana kebolehan konduktif graphene telah diketahui sejak sekian lama tetapi ini adalah kali pertama superkonduktiviti graphene telah dicapai tanpa mengubah atau menambah bahan lain padanya. Oleh itu, graphene boleh digunakan untuk membuat seperti transistor. peranti dalam litar superkonduktif dan superkonduktiviti yang dinyatakan oleh graphene boleh digabungkan ke dalam peranti elektronik molekul dengan fungsi baru.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more tenaga efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{Anda boleh membaca kertas penyelidikan asal dengan mengklik pautan DOI yang diberikan di bawah dalam senarai sumber yang dipetik}
Sumber (s)
1. Yuan C et al. 2018. Tingkah laku penebat berkorelasi pada separuh mengisi kekisi super graphene sudut ajaib. alam semula jadi. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Superkonduktiviti tidak konvensional dalam superlattices graphene sudut ajaib. alam semula jadi. https://doi.org/10.1038/nature26160
