अलीकडील ग्राउंड ब्रेकिंग अभ्यासाने शेवटी किफायतशीर आणि वापरण्यास-वापरण्याजोगे सुपरकंडक्टर विकसित करण्याच्या दीर्घकालीन संभाव्यतेसाठी सामग्री ग्राफीनचे अद्वितीय गुणधर्म दर्शवले आहेत.
A सुपरकंडक्टर एक अशी सामग्री आहे जी चालवू शकते (प्रसारण) वीज प्रतिकार न करता. हे प्रतिकार काही नुकसान म्हणून परिभाषित केले आहे ऊर्जा जे प्रक्रियेदरम्यान उद्भवते. तर, कोणतीही सामग्री सुपरकंडक्टिव्ह बनते जेव्हा ती वीज चालविण्यास सक्षम असतेतपमान' किंवा स्थिती, उष्णता, ध्वनी किंवा इतर कोणत्याही प्रकारची उर्जा सोडल्याशिवाय. सुपरकंडक्टर 100 टक्के कार्यक्षम आहेत परंतु बहुतेक सामग्री अत्यंत कमी असणे आवश्यक आहे ऊर्जा सुपरकंडक्टिव्ह होण्यासाठी स्थिती, ज्याचा अर्थ असा आहे की ते खूप थंड असावेत. बहुतेक सुपरकंडक्टर्सना द्रव हीलियमसह अगदी कमी तापमानात -270 अंश सेल्सिअसपर्यंत थंड करणे आवश्यक आहे. अशाप्रकारे कोणतेही सुपरकंडक्टिंग ऍप्लिकेशन सामान्यत: काही प्रकारच्या सक्रिय किंवा निष्क्रिय क्रायोजेनिक/कमी तापमान शीतकरणासह जोडलेले असते. या कूलिंग प्रक्रियेसाठी स्वतःमध्ये जास्त प्रमाणात ऊर्जा आवश्यक असते आणि द्रव हीलियम केवळ खूप महाग नाही तर अपारंपरिक देखील आहे. म्हणून, बहुतेक पारंपारिक किंवा "कमी तापमान" सुपरकंडक्टर अकार्यक्षम आहेत, त्यांच्या मर्यादा आहेत, मोठ्या प्रमाणावर वापरण्यासाठी ते किफायतशीर, महाग आणि अव्यवहार्य आहेत.
उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर
सुपरकंडक्टर्सच्या क्षेत्राने 1980 च्या मध्यात मोठी झेप घेतली जेव्हा कॉपर ऑक्साईड कंपाऊंड सापडला जो -238 अंश सेल्सिअसवर सुपरकंडक्ट करू शकतो. हे अजूनही थंड आहे, परंतु द्रव हीलियम तापमानापेक्षा खूप उबदार आहे. हे पहिले "उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर" (HTC) म्हणून ओळखले जात होते, ज्याने नोबेल पारितोषिक जिंकले होते, जरी ते केवळ मोठ्या सापेक्ष अर्थाने "उच्च" होते. त्यामुळे, शास्त्रज्ञांना असे वाटले की ते शेवटी काम करणारे सुपरकंडक्टर शोधण्यावर लक्ष केंद्रित करू शकतात, चला तरल नायट्रोजन (-196° C) भरपूर प्रमाणात उपलब्ध आहे आणि स्वस्त देखील आहे. उच्च तापमानाच्या सुपरकंडक्टरमध्ये देखील अनुप्रयोग असतात जेथे खूप उच्च चुंबकीय क्षेत्र आवश्यक असते. त्यांचे कमी-तापमान समकक्ष सुमारे 23 टेस्ला (टेस्ला हे चुंबकीय क्षेत्र शक्तीचे एकक आहे) वर काम करणे थांबवतात त्यामुळे ते अधिक मजबूत चुंबक बनवण्यासाठी वापरले जाऊ शकत नाहीत. परंतु उच्च तापमानाचे सुपरकंडक्टिंग मटेरियल त्या फील्डच्या दुपटीपेक्षा जास्त आणि कदाचित त्याहूनही जास्त काम करू शकते. सुपरकंडक्टर मोठ्या चुंबकीय क्षेत्रे निर्माण करत असल्याने ते स्कॅनर आणि लिव्हिटेटिंग ट्रेनमध्ये एक आवश्यक घटक आहेत. उदाहरणार्थ, आज एमआरआय (मॅग्नेटिक रेझोनान्स इमेजिंग) हे एक तंत्र आहे जे या गुणवत्तेचा उपयोग शरीरातील सामग्री, रोग आणि जटिल रेणू पाहण्यासाठी आणि अभ्यास करण्यासाठी करते. इतर ऍप्लिकेशन्समध्ये ऊर्जा-कार्यक्षम पॉवर लाईन्स (उदाहरणार्थ, सुपरकंडक्टिंग केबल्स समान आकाराच्या कूपर वायर्सपेक्षा 10 पट जास्त वीज पुरवू शकतात), पवन ऊर्जा जनरेटर आणि सुपर कॉम्प्युटर द्वारे विजेच्या ग्रिड स्केल स्टोरेजचा समावेश आहे. साठवण्यास सक्षम असलेली उपकरणे सुपरकंडक्टरसह लाखो वर्षांची ऊर्जा तयार केली जाऊ शकते.
सध्याच्या उच्च तापमानाच्या सुपरकंडक्टरला त्यांच्या स्वतःच्या मर्यादा आणि आव्हाने आहेत. कूलिंग यंत्राची आवश्यकता असल्यामुळे खूप महाग असण्याव्यतिरिक्त, हे सुपरकंडक्टर ठिसूळ पदार्थांचे बनलेले असतात आणि त्यांना आकार देणे सोपे नसते आणि त्यामुळे विद्युत तारा बनवण्यासाठी वापरता येत नाही. सामग्री विशिष्ट वातावरणात रासायनिकदृष्ट्या अस्थिर असू शकते आणि वातावरण आणि पाण्यातील अशुद्धतेसाठी अत्यंत संवेदनशील असू शकते आणि अशा प्रकारे ते सामान्यतः बंद केले पाहिजे. मग सुपरकंडक्टिंग मटेरियल वाहून नेऊ शकणारे जास्तीत जास्त विद्युत् प्रवाह आहे आणि गंभीर विद्युत् घनतेच्या वर, अतिसंवाहकता विद्युत् प्रवाह मर्यादित करून खंडित होते. अवाढव्य खर्च आणि अव्यवहार्यता चांगल्या सुपरकंडक्टर्सच्या वापरामध्ये विशेषतः विकसनशील देशांमध्ये अडथळा आणत आहेत. अभियंत्यांना, त्यांच्या कल्पनेत, खरोखरच मऊ, निंदनीय, फेरोमॅग्नेटिक सुपरकंडक्टर हवे असते जे अशुद्धतेसाठी अभेद्य असते किंवा विद्युत प्रवाह आणि चुंबकीय क्षेत्र लागू होते. खूप काही मागायचे!
ग्राफीन असू शकते!
यशस्वी सुपरकंडक्टरचा मध्यवर्ती निकष म्हणजे उच्च तापमान शोधणे सुपरकंडक्टोr, खोलीचे तापमान हे आदर्श परिस्थिती आहे. तथापि, नवीन साहित्य अद्याप मर्यादित आहे आणि ते बनवणे खूप आव्हानात्मक आहे. हे उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स नेमक्या कोणत्या पद्धतीचा अवलंब करतात आणि शास्त्रज्ञ नवीन डिझाइनवर कसे पोहोचू शकतात, जे व्यावहारिक आहे याबद्दल या क्षेत्रात अजूनही शिकत आहे. उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरमधील आव्हानात्मक पैलूंपैकी एक म्हणजे सामग्रीमधील इलेक्ट्रॉनांना जोडण्यासाठी खरोखर काय मदत करते हे फारच खराब समजले आहे. नुकत्याच झालेल्या एका अभ्यासात हे साहित्य पहिल्यांदाच दिसून आले आहे ग्राफीन यात आंतरिक सुपरकंडक्टिंग गुणवत्ता आहे आणि आम्ही सामग्रीच्या स्वतःच्या नैसर्गिक स्थितीत खरोखरच ग्राफीन सुपरकंडक्टर बनवू शकतो. ग्राफीन, पूर्णपणे कार्बन-आधारित सामग्री, केवळ 2004 मध्ये शोधली गेली आणि ती सर्वात पातळ सामग्री आहे. षटकोनी पद्धतीने व्यवस्थित केलेल्या कार्बन अणूंचा समावेश असलेल्या प्रत्येक शीटसह ते हलके आणि लवचिक देखील आहे. हे स्टीलपेक्षा अधिक मजबूत असल्याचे दिसून येते आणि ते तांब्याच्या तुलनेत अधिक चांगले विद्युत चालकता व्यक्त करते. अशा प्रकारे, या सर्व आशादायक गुणधर्मांसह ही एक बहुआयामी सामग्री आहे.
मॅसॅच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी आणि हार्वर्ड विद्यापीठ, यूएसए मधील भौतिकशास्त्रज्ञ, ज्यांचे कार्य दोन पेपरमध्ये प्रकाशित झाले आहे1,2 in निसर्ग, त्यांनी नोंदवले आहे की ते दोन अतिविद्युत वर्तन दर्शविण्यासाठी मटेरियल ग्राफीनला ट्यून करण्यास सक्षम आहेत - एक इन्सुलेटर म्हणून ज्यामध्ये तो कोणताही विद्युत् प्रवाह जाऊ देत नाही आणि एक सुपरकंडक्टर म्हणून ज्यामध्ये विद्युत प्रवाह कोणत्याही प्रतिकाराशिवाय जाऊ देतो. 1.1 अंशांच्या "जादूच्या कोनात" थोडेसे फिरवलेले दोन ग्राफीन शीटचे "सुपरलॅटिस" तयार केले गेले. ही विशिष्ट आच्छादन षटकोनी हनीकॉम्ब पॅटर्नची मांडणी केली गेली होती ज्यामुळे ग्राफीन शीटमधील इलेक्ट्रॉन्समधील "जोरदार परस्परसंबंध" संभाव्यपणे प्रेरित करण्यासाठी. आणि हे घडले कारण ग्राफीन या "जादूच्या कोनात" शून्य प्रतिकाराने वीज चालवू शकतो तर इतर कोणत्याही स्टॅक केलेल्या व्यवस्थेने ग्राफीनला वेगळे ठेवले आणि शेजारच्या थरांशी कोणताही परस्परसंवाद नाही. त्यांनी ग्राफीनला स्वतःहून सुपर आचरण करण्यासाठी आंतरिक गुणवत्तेचा अवलंब करण्याचा मार्ग दाखवला. हे अत्यंत समर्पक का आहे कारण, याच गटाने यापूर्वी ग्राफीनला इतर सुपरकंडक्टिंग धातूंच्या संपर्कात ठेऊन ग्राफीन सुपरकंडक्टर्सचे संश्लेषण केले होते ज्यामुळे त्याला काही सुपरकंडक्टिंग वर्तणूक वारशाने मिळू शकते परंतु केवळ ग्राफीनने ते साध्य करता आले नाही. हा एक मोठा धक्कादायक अहवाल आहे कारण ग्राफीनची प्रवाहकीय क्षमता काही काळापासून ज्ञात आहे, परंतु ग्राफीनची सुपरकंडक्टिव्हिटी त्यात बदल न करता किंवा त्यात इतर सामग्री न जोडता मिळवण्याची ही पहिलीच वेळ आहे. अशा प्रकारे, ट्रान्झिस्टरसारखे बनवण्यासाठी ग्राफीनचा वापर केला जाऊ शकतो. सुपरकंडक्टिंग सर्किटमधील उपकरण आणि ग्राफीनद्वारे व्यक्त केलेली सुपरकंडक्टिव्हिटी नवीन कार्यक्षमतेसह आण्विक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये समाविष्ट केली जाऊ शकते.
हे आम्हाला उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्सवरील सर्व चर्चेकडे परत आणते आणि तरीही ही प्रणाली 1.7 अंश सेल्सिअसपर्यंत थंड करणे आवश्यक असताना, मोठ्या प्रकल्पांसाठी ग्राफीनचे उत्पादन आणि वापर करणे आता त्याच्या अपारंपरिक सुपरकंडक्टिव्हिटीची तपासणी करून साध्य करता येईल असे दिसते. पारंपारिक सुपरकंडक्टर्सच्या विपरीत ग्राफीनची क्रिया सुपरकंडक्टिव्हिटीच्या मुख्य प्रवाहातील सिद्धांताद्वारे स्पष्ट केली जाऊ शकत नाही. अशा अपारंपरिक क्रियाकलाप कपरेट्स नावाच्या जटिल कॉपर ऑक्साईडमध्ये दिसले आहेत, जे 133 अंश सेल्सिअस पर्यंत वीज चालवण्यास ओळखले जातात आणि अनेक दशकांपासून संशोधनाचे केंद्रबिंदू आहेत. जरी, या कपरेट्सच्या विपरीत, स्टॅक केलेली ग्राफीन प्रणाली अगदी सोपी आहे आणि सामग्री देखील चांगली समजली जाते. केवळ आताच ग्राफीन शुद्ध सुपरकंडक्टर म्हणून शोधण्यात आले आहे, परंतु सामग्रीमध्ये स्वतःमध्ये अनेक उत्कृष्ट क्षमता आहेत ज्या पूर्वी ज्ञात आहेत. हे काम ग्राफीनच्या मजबूत भूमिकेसाठी आणि उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्सच्या विकासासाठी मार्ग मोकळा करते जे पर्यावरणास अनुकूल आणि अधिक आहेत. ऊर्जा कार्यक्षम आणि सर्वात महत्वाचे म्हणजे खोलीच्या तपमानावर कार्य करणे महाग कूलिंगची आवश्यकता दूर करते. यामुळे ऊर्जा प्रेषण, संशोधन चुंबक, वैद्यकीय उपकरणे विशेषत: स्कॅनरमध्ये क्रांती घडू शकते आणि आपल्या घरांमध्ये आणि कार्यालयांमध्ये ऊर्जा कशी प्रसारित केली जाते हे खरोखरच पुनर्संचयित करू शकते.
***
{उद्धृत स्रोतांच्या सूचीमध्ये खाली दिलेल्या DOI लिंकवर क्लिक करून तुम्ही मूळ शोधनिबंध वाचू शकता}
स्त्रोत
1. युआन सी आणि इतर. 2018. मॅजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलॅटिसेसमध्ये अर्धा भरल्यावर सहसंबंधित इन्सुलेटर वर्तन. निसर्ग. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. युआन सी आणि इतर. 2018. मॅजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलॅटिसेसमध्ये अपारंपरिक सुपरकंडक्टिव्हिटी. निसर्ग. https://doi.org/10.1038/nature26160
