Olet ehkä törmännyt uusimpaan muotisanaan televisiossa, radiossa tai lukumateriaaleissasi: Etelä-Korean tutkijoiden ryhmän löytämän suprajohtavan materiaalin, jolla on poikkeukselliset ja uraauurtavat ominaisuudet. Mutta mikä oikein on suprajohde, ja miksi sillä voisi olla potentiaalia mullistaa maailma?
Aluksi on tärkeää ymmärtää, että suprajohde on aine, joka pystyy johtamaan sähköä. Kaikki materiaalit, jotka tarjoavat minimaalisen vastuksen sähkövarauksen virtaukselle, kuuluvat johtimien luokkaan. Yleensä luotamme sellaisiin materiaaleihin kuin kulta, hopea, alumiini, tina tai kupari sähkövirran pääjohtimina.
Haaste piilee ilmaisussa "tarjoaa minimaalisen vastuksen". Tämä osoittaa, että osa näiden johtavien materiaalien läpi kulkevasta sähköstä haihtuu lämpönä. Resistanssin suhteen vähiten vastuksen omaavana johtimena johtaa hopea, jota seuraa kulta ja kupari.
Mikä on suprajohde?
Suprajohde on materiaali, jolla on ainutlaatuinen kyky johtaa sähkövirtaa täysin ilman vastusta, mikä johtaa nollaenergiahäviöön. Tämän merkittävän ominaisuuden löysi ensimmäisen kerran hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911.
Jyrkästi päinvastoin kuin "normaalit" johtimet, suprajohtimien sähkövastus on nolla. Tämä tarkoittaa, että sähkövirta voi virrata suprajohtavan materiaalin läpi loputtomiin ilman jatkuvaa virtalähdettä. Tämä ominaisuus muistuttaa ferromagnetismia tai puhtaiden magneettien käyttäytymistä, jotka voivat vetää puoleensa rautapitoisia elementtejä ilman sähköisen induktion tarvetta.
Suprajohtavat materiaalit voidaan luokitella kahteen päätyyppiin:
1. Tyyppi I: Nämä materiaalit eivät salli ulkoisen magneettikentän tunkeutua niihin ilman huomattavaa energiankulutusta. Ne voivat äkillisesti siirtyä ei-suprajohtavaan tilaan, jos kriittinen lämpötila ylittyy.
2. Tyyppi II: Tunnetaan myös "epätäydellisinä suprajohtimina". Nämä materiaalit mahdollistavat magneettikentän tunkeutumisen "Abrikosovin pyörteiksi" tai "fluksoneiksi" kutsuttujen kanavien läpi.
Yksi suprajohteiden kiehtova ominaisuus on niiden lisäominaisuuksien, kuten levitaatio, mahdollisuus. Tämä ominaisuus avaa lukuisia mahdollisuuksia käytännön sovelluksiin ja innovaatioihin näiden materiaalien osalta.
Suprajohteiden pääongelmat
Vaikka suprajohteiden käsitteellä on valtava lupaus, niiden käytännön soveltamiseen liittyy merkittäviä haasteita. Suprajohteiden tärkeimmät ongelmat ovat:
Lämpötila: Suprajohteet vaativat tyypillisesti erittäin alhaisia lämpötiloja, jotka vaihtelevat noin -100 ºC:sta absoluuttiseen nollaan (0 ºK / -273.15 °C / -459.67 °F) suprajohtavien ominaisuuksiensa näyttämiseksi. Tämä rajoitus tekee niistä epäkäytännöllisiä monissa jokapäiväisissä sovelluksissa, koska tällaisten alhaisten lämpötilojen ylläpitäminen voi olla energiaintensiivistä ja kallista.
Paine: Jotkut suprajohteet, jotka toimivat korkeammissa lämpötiloissa, vaativat erittäin korkeita paineita toimiakseen tehokkaasti. Tämä voi olla merkittävä este niiden käytännön käytölle, sillä tällaisten paineiden luominen ja ylläpitäminen voi olla teknisesti haastavaa ja kallista. Joissakin tapauksissa vaaditaan noin 100,000 XNUMX maanpäällisen ilmakehän paineita.
kustannukset: Suprajohteiden kehittäminen, valmistus ja tehokas hyödyntäminen on hidas ja kallis prosessi. Suprajohtavuuden tutkimukseen ja sovelluksiin liittyvät materiaalit ja teknologiat voivat olla kohtuuttoman kalliita, mikä estää niiden laajan käyttöönoton.
Epäilemättä tärkeimmät haasteet, joihin on puututtava, ovat lämpötila- ja painevaatimukset. Sellaisten suprajohteiden kehittäminen, jotka voivat toimia paremmin saavutettavissa olevissa lämpötiloissa ja normaaleissa ilmakehän olosuhteissa, alentaisi merkittävästi kustannuksia ja avaisi monia mahdollisia sovelluksia eri teollisuudenaloilla ja ympäristöissä. Näiden esteiden voittaminen on välttämätöntä suprajohteiden täyden potentiaalin vapauttamiseksi käytännön jokapäiväisessä käytössä.
Onko LK-99 paras suprajohde?
Suprajohteiden tärkeimmät haasteet ovat niiden käyttölämpötila- ja painevaatimukset. Näiden esteiden jälkeen painopiste siirtyy massatuotannon menetelmien kehittämiseen ja valmistuskustannusten alentamiseen.
Äskettäin ryhmä eteläkorealaisia tutkijoita on paljastanut lupaavan ehdokkaan, joka tunnetaan nimellä LK-99 suprajohde. Tämä materiaali on lanarkiitin ja kuparifosfidin mineraalien komposiitti.
LK-99 erottaa muista sen huomattava suprajohtavuus, joka säilyy ennallaan jopa 127 ºC:n lämpötiloissa ja normaalissa ilmanpaineessa. Näissä tavallisissa olosuhteissa materiaalilla on nollaresistanssi ja jopa magneettinen levitaatio. Hämmästyttävää kyllä, näiden ominaisuuksien saavuttamiseen liittyy suhteellisen yksinkertainen valmistusprosessi.
Merkittävä haittapuoli on kuitenkin se, että korkeissa lämpötiloissa LK-99 voi vaikeuksia kuljettaa merkittäviä sähkövirtoja. Tämä rajoitus voi aiheuttaa haasteita erilaisissa käytännön sovelluksissa.
Lukuisat tieteelliset ryhmät ympäri maailmaa työskentelevät nyt ahkerasti vahvistaakseen tämän uraauurtavan löydön. On tärkeää huomata, että kaikki merkittävät löydöt on tarkasteltava muiden tutkijaryhmien kanssa samanlaisissa olosuhteissa.
Tällä hetkellä saatavilla olevat tiedot näyttävät olevan johdonmukaisia, ja alustavat simulaatiot viittaavat löydön pätevyyteen. Siitä huolimatta on tärkeää, että eri tutkimusryhmät syntetisoivat ja testaavat tiukasti materiaalia. Jos sen ominaisuudet vahvistetaan, tämä voi mahdollisesti johtaa välittömään Nobel-palkintoon, kuten orgaanisen kemian tohtori Duken yliopistosta Pohjois-Carolinassa, USA:ssa Science-lehdessä.
Yhteenveto
LK-99 suprajohteessa on potentiaalia mullistaa maailmamme. Se voisi mahdollistaa ikuisten akkujen, vaivattomasti raiteillaan leijuvien suurten nopeuksien junien ja sähköverkkojen luomisen minimaalisilla häviöillä. Lisäksi se voi tuoda merkittäviä edistysaskeleita muun muassa lääketieteen, ydinenergian ja kvanttilaskennan aloilla.