Вершина материаловедения - это сверхпроводник при комнатной температуре. Этот почти мифический объект может изменить каждый аспект нашей технологически ориентированной жизни благодаря своей уникальной способности иметь нулевое электрическое сопротивление. К сожалению, такие материалы кажутся практически невозможными для создания. Но все еще есть надежда, так как ученые недавно обнаружили один такой сверхпроводник. Может ли это стать началом новой технологической революции? Давайте разберёмся в этом вместе.
Как я уже говорил, сверхпроводник - это материал с нулевым электрическим сопротивлением. Это свойство гораздо более впечатляющее, чем кажется! Чтобы объяснить, мне сначала нужно рассказать о том, что такое электрическое сопротивление.
Вы когда-нибудь ощущали, как нагревается ваш телефон, компьютер или лампочка? Это происходит потому, что металлы, из которых состоят эти схемы, имеют электрическое сопротивление. Когда электроны проходят через металлические провода, они "сталкиваются" с атомами металла, передавая им часть своей кинетической энергии и заставляя материал нагреваться. Некоторая электрическая энергия всегда теряется в виде тепла, и в процессе электроны теряют скорость, так и появляется электрическое сопротивление.
Но сверхпроводники отличаются от обычных металлов. Их атомы блокируются в кристаллической решетке, которая предлагает свободные пути для электронов, чтобы пролететь сквозь нее. Это означает, что электроны могут перемещаться так быстро, как им угодно, без сопротивления, что значит, что энергия не теряется в виде тепла! На самом деле, процесс намного более сложный, но можно рассматривать его как полезную аналогию. Используя сверхпроводники, мы можем, наконец, построить сверхэффективные электрические системы.
Эта сверхэффективность делает сверхпроводники инженерным чудом. С их помощью можно создавать невероятно мощные электромагниты, в несколько раз превосходящие по мощности те, которые мы могли бы создать без сверхпроводников. Мы используем такие магниты в магнитно-резонансных томографах, термоядерных реакторах, квантовых компьютерах и левитирующих поездах. Однако их также можно использовать для создания удивительно чувствительных магнитных датчиков, которые в настоящее время используются в квантовых компьютерах для обнаружения квантовых изменений в частицах, используемых для вычислений.
К сожалению, есть один недостаток, который делает сверхпроводники очень неудобными в использовании. Чтобы получить нулевое электрическое сопротивление, их необходимо охлаждать до невероятно низких температур! Обычно это где-то в районе 55K (-218.15°C). При достижении такой низкой температуры молекулы в материале перестают сильно колебаться и блокируются в узлах кристаллической решетки, придавая материалу сверхпроводящие свойства. Это означает, что для работы даже небольшого количества сверхпроводника необходима огромная мощность охлаждающей системы, и, как можно себе представить, это крайне ограничивает их использование.
Вот где профессор Диас и его команда берут своё начало. Они недавно опубликовали статью, утверждая, что нашли сверхпроводящий материал, который работает при 20,5 градусах Цельсия. В 2020 году Диас и его команда опубликовали статью о похожем открытии, но статья была быстро отозвана, так как выяснилось, что их методология подтверждения сверхпроводимости была недостаточно строгой. Итак, они вернулись к чертежам, нашли новый материал для работы и обеспечили гораздо более тщательный подход.
Профессор Диас создал этот новый материал, взяв лютеций (редкоземельный металл) и смешав его с водородом и небольшим количеством азота. Эту смесь оставляют реагировать два или три дня при высоких температурах. В процессе обжига материал становится ярко красным, поэтому его прозвали «красным веществом». После вынимания из печи он становится глубокого синего цвета, напоминающего кобальт.
Для того, чтобы «красное вещество» обладало свойствами сверхпроводника, его нужно держать при температуре не выше 20,5 градусов Цельсия и под давлением 9900 атмосфер. Это давление заставляет молекулы «красного вещества» выстраиваться в структуру сверхпроводника, и когда материал переходит в эту фазу, его цвет меняется на розовый.
В целом, кажется, что Диас и его команда наконец-то сделали это: создали сверхпроводник при комнатной температуре! Подумайте только о возможностях: более эффективные термоядерные реакторы могут совершить революцию в наших энергетических сетях; легко строящиеся квантовые компьютеры могут перевернуть мир вычислений; мы можем разработать новое медицинское оборудование, которое раньше не могли даже представить; и даже гиперэффективные энергосети с нулевыми потерями могут наконец-то стать реальностью!
Однако, к сожалению, это не совсем так. Вы видите, 9900 атмосфер, совсем маленькое давление) Это эквивалентно тому, что на площадь размером с банковскую карту действует вес пяти ракет Сатурн 5. Как вы можете представить, попытка воссоздать такое давление в лаборатории крайне сложна, не говоря уже о поддержании электрической цепи при таком давлении!
Диас также опубликовал отдельную статью в 2020 году, которая не была отозвана, и которая также описывает сверхпроводник при комнатной температуре. Но для работы этого материала требовалось давление в 2,6 млн атмосфер, что эквивалентно весу всей Великой китайской стены на площади банковской карты. Таким образом, хотя рабочее давление красного вещества может показаться невероятно высоким, это действительно огромный шаг в правильном направлении.
Для создания таких давлений ученые используют машину, называемую алмазным нагрудником. Эти машины используют два алмаза, ориентируют их так, чтобы их острые концы были обращены друг к другу, помещают материал посередине, а затем сжимают алмазы с огромной силой. Прочность алмазов, в сочетании с крошечной площадью их кончиков по сравнению с гораздо большей тупой стороной, которая сжимается, позволяет достигнуть астрономических давлений внутри сжимаемого материала. Однако критически важно отметить, что это происходит только на крошечной поверхности.
С использованием текущих технологий мы не могли бы построить сверхпроводящую схему из красного вещества, так как объем красного вещества, необходимый для создания схемы, гораздо больше, чем мы можем сжать на текущем технологическом уровне. Вот почему одна из статей Диаса 2020 года была отозвана, потому что настолько трудно доказать, что такое крошечное количество материала перешло в сверхпроводящее состояние. Именно поэтому есть некоторая контроверзия вокруг того, действительно ли красное вещество достигло сверхпроводимости. В статье Диаса есть убедительные доказательства в пользу этого, но некоторые ученые хотят провести более тщательное тестирование.
С таким быстрым темпом прогресса ученые скоро смогут создать сверхпроводник при комнатной температуре с приемлемым операционным давлением. Так что, возможно, Диас на пути к началу новой технологической революции.
Ставьте палец вверх и подписывайтесь на канал, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!