Objavili zázračné materiály. Konečne ich používame [sme.sk ]

Príbeh o materiáloch, ktoré bez odporu vedú elektrický prúd, sa začal v roku 1911.
Ilustračné foto. (Zdroj - WIKIMEDIA/CC)
Príbeh o materiáloch, ktoré bez odporu vedú elektrický prúd, sa začal v roku 1911, keď holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes objavil supravodivosť ortuti. Technológie rozvíjajúce sa na základe jeho objavu skvalitnili život väčšine svetovej populácie a ustavične sa zdokonaľujú.
Autori: Michal Skarba, Marcela Pekarčíková, Fedor Gömöry / Quark
Na začiatku 20. storočia sa v laboratóriu v holandskom Leidene podarilo vedcom skvapalniť hélium a s teplotou pod 0,9 K sa dostali blízko k absolútnej nule.
Keď ochladzovali ortuť tekutým héliom, ukázala ručička prístroja na meranie odporu náhly pád na nulu. Tým pádom sa v roku 1911 začal príbeh, ktorý pokračoval o dva roky neskôr udelením Nobelovej ceny autorovi objavu supravodivosti – H. K. Onnesovi.
V súčasnosti už existujú tisícky supravodičov využívajúcich tento objav. V niektorých aplikáciách, ako sú napríklad výkonné magnety v medicínskej diagnostike, ide o materiály podieľajúce sa na záchrane životov.
Začalo sa to nulou
Ak vás zaujíma, aké skupiny supravodivých materiálov poznáme a aké je ich využitie, začneme od nuly – pripomenutím základných faktov o jave, pri ktorom elektrický odpor klesne úplne na nulu.
Prvý objavený supravodič mal to najjednoduchšie zloženie: išlo o čistú ortuť, teda chemický prvok. Náročné chladenie čistých prvkov však bolo značnou prekážkou praktického využitia supravodivého javu a tak sa začal intenzívny výskum supravodivých vlastností pokročilejších materiálov.
Supravodiče sme v orientačnom prehľade rozdelili do skupín podľa rastúcej zložitosti ich štruktúry. Komplikovanejšia štruktúra, a tým zvyčajne aj náročnejšia príprava, býva vyvážená zaujímavými vlastnosťami, napríklad rastúcou kritickou teplotou, a z toho vyplývajúcimi širšími možnosťami praktického využitia.
Niób nad zlato
Z prvkov zobrazených v periodickej tabuľke má po ochladení a za normálneho tlaku supravodivé vlastnosti len 31 z nich, teda približne tretina. Kritické teploty čistých prvkov sa pohybujú v blízkosti absolútnej nuly, od niekoľkých stotín kelvinov, až po maximálne 9 K pre niób.
To vyžaduje chladenie drahým tekutým héliom, ktorého cena v posledných dekádach neustále rastie.
Zaujímavosťou je, že pre prvky zo stredu periodickej tabuľky s najvyššou klasickou vodivosťou, ako sú meď, striebro a zlato, sa nenašli podmienky, za ktorých dokážu viesť prúd supravodivo. Keby sa teda v minulosti zaoberali supravodivosťou alchymisti, hľadali by opak kameňa mudrcov – uprednostnili by paradoxne premenu zlata na neušľachtilé kovy.
Na technické využitie supravodivosti sú v porovnaní s čistými prvkami oveľa zaujímavejšie kombinácie viacerých prvkov, najmä vo forme zliatin alebo chemických zlúčenín.
Celkový počet materiálov so supravodivými vlastnosťami sa v súčasnosti odhaduje na niekoľko tisíc. Zopár z nich si predstavíme – a budú medzi nimi aj materiály, pri ktorých by elektrickú vodivosť predtým nikto nečakal.
Kde sa dvaja zlejú
Prípravou zliatiny, respektíve chemickým zlúčením aspoň dvoch kovových alebo polokovových prvkov sa kritická teplota supravodičov v porovnaní s jednoduchým prvkom zvýši na niekoľko desiatok kelvinov.
Takto pripravené supravodiče stále vyžadujú chladenie tekutým héliom, takže sa ešte považujú za nízkoteplotné. Chladenie supravodičov je však len jeden z mnohých parametrov ovplyvňujúcich výber konkrétneho supravodivého materiálu na dané použitie.
Zliatiny a kovové zlúčeniny pokrývajú viac než 90 % predaja v sektore supravodičov, predovšetkým vďaka veľmi dobre zvládnutej technológii výroby.
Drôty z Nb3Sn alebo NbTi sa často v praxi spájajú do káblov. Rozdelenie supravodiča do viacerých paralelných vláken a ich špirálovité skrútenie zabezpečuje tiež lepšiu mechanickú odolnosť supravodiča proti deformácii pri jeho navíjaní.
Všeobecne najrozšírenejším použitím supravodičov je zhotovovanie elektrosú zobrazené dva príklady takéhoto využitia supravodivých drôtov na základe Nb3Sn alebo NbTi:
• Vo Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) pri Ženeve je silné magnetické pole potrebné na manipuláciu s časticami vytvárané takmer 30 000 kilometrami supravodivého drôtu. Drôty z NbTi vážia 800 ton a ide o doteraz najväčší supravodivý magnet na svete. Človek v urýchľovači na obrázku na strane 9 je na porovnanie vyznačený oranžovou šípkou.
• Včasná medicínska diagnostika, napríklad pomocou magnetickej rezonancie, môže zachrániť život. Úlohou silného magnetického poľa vytváraného supravodivými cievkami je v tomto prípade zvýšenie citlivosti prístrojov. Výsledkom je presná neinvazívna medicínska diagnostika.
Drôty z nízkoteplotných supravodičov by sa dali použiť aj na prenos silovej elektrickej energie; v tejto oblasti im však začínajú vážne konkurovať keramické supravodiče, ktorým sa budeme venovať ďalej.
Nekovový poriadok
Krátko po objave nekovového supravodiča na báze zlúčeniny lantánu, medi, bária a kyslíka bola preskúmaná celá skupina keramických supravodivých materiálov s podobnou štruktúrou.
Ich kritická teplota dosahuje až vyše 140 K. To je síce stále mrazivých -133 °C, ale v porovnaní s už spomínanými supravodičmi umožnilo zvýšenie kritickej teploty nad hranicu varu dusíka chladiť supravodiče práve touto relatívne lacnou tekutinou.
Keramické materiály, ktoré z bežnej skúsenosti považujeme za výborné elektrické izolanty, tak odštartovali éru tzv. vysokoteplotných supravodičov. Za objav vedúci k prudkému poskočeniu kritickej teploty dovtedy známych supravodivých materiálov si objavitelia keramických supravodičov odskočili v roku 1987 do Štokholmu po Nobelovu cenu.
Hlavnou výhodou supravodivej keramiky je možnosť prenosu vysokých prúdov malým prierezom vodiča. Pri rovnakom prenesenom prúde nám postačí súpravodič s prierezom asi 100-krát menším, než by mal vodič z čistej medi.
Pomerne nenáročné chladenie znižuje náklady na prevádzku supravodičov, nevýhodou je však ich pomerne vysoká obstarávacia cena na úrovni desiatok eur za meter. Dôvodom je, že okrem splnenia fyzikálnych podmienok na dosiahnutie supravodivého stavu sa pri vysokoteplotných supravodičoch musí brať ohľad na veľkú citlivosť supravodiča na jeho presné zloženie a usporiadanosť jeho štruktúry, čo si vyžaduje náročnú technológiu výroby.
Keramika sa v supravodičoch využíva najmä vo forme pások s hrúbkou ľudského vlasu, pričom 99 % z tejto hrúbky netvorí samotný supravodič, ale pomocné vrstvy. Medzi najperspektívnejšie vysokoteplotné keramické supravodiče patrí zmes oxidov so zložením REBa2Cu3O7 (RE = kov vzácnych zemín).
Pomerne zložitá sendvičová štruktúra je zrejmá z prierezu takejto pásky na obrázku na strane 10.
Supravodivý prúd v páske prechádza len cez niekoľko tisícin milimetra hrubú keramickú vrstvu REBa2Cu3O7, všetky ostatné vrstvy pásky majú len pomocnú funkciu. Keramické supravodiče už v súčasnosti môžeme nájsť vo všetkých fázach využívania elektriny: od jej výroby cez distribúciu až po jej efektívnu a bezpečnú spotrebu.
Štruktúra supravodivého materiálu. (zdroj: WIKIMEDIA/CC)
Kovový neporiadok
Pri skúmaní supravodičov máme my vedci niekedy problém udržať si vo veciach poriadok. Stav, keď máme veci na stole len tak nahádzané bez nejakých zjavných pravidiel, sme nazvali vysokou entropiou. Znie to lepšie ako neskutočný neporiadok, a tým považujeme problém s upratovaním za vyriešený.
Ba čo viac, ukazuje sa, že neprítomnosť nejakého jednoduchého pravidla, podľa ktorého by atómy materiálu boli zoradené v kryštalickej mriežke (tak ako pri doteraz spomínaných materiáloch) nemusí byť nutne problémom ani pre supravodivé elektróny.
Takzvané vysokoentropické zliatiny obsahujú typicky 5 až 13 relatívne rovnomerne zastúpených zložiek.
Príkladom je Ta34Nb33Hf8Zr14Ti11 s kritickou teplotou 7 K. Supravodivé sú dokonca aj viaceré amorfné kovy a zliatiny, ktorých štruktúra pripomína skôr podchladenú kvapalinu.
Ak uvážime, že by sa napríklad mechanické vlastnosti neusporiadaných supravodivých kovov mohli približovať vlastnostiam typických amorfných materiálov, napríklad plastov, mohli by byť v budúcnosti neporiadne kovy zaujímavou alternatívou ku krehkej supravodivej keramike.
Kam smeruje veda?
Objav materiálu, ktorý by mal supravodivé vlastnosti za bežných izbových podmienok, by pravdepodobne spôsobil technickú revolúciu.
Autorov objavu by asi neminula ani Nobelova cena, ktorá bola doteraz v oblasti supravodivosti udelená už osemkrát.
Vzhľadom na pomerne vysoké straty pri rôznych bezdrôtových spôsoboch prenosu energie, napríklad laserom alebo indukciou, zostávajú drôty naďalej najúčinnejším riešením. Každý z doteraz objavených supravodičov však vyžaduje na prechod do supravodivého stavu dosiahnutie aspoň jednej podmienky, aká sa na Zemi vo voľnej prírode nevyskytuje.
Nízka kritická teplota sama osebe pritom nie je neprekonateľným problémom: nedávno boli zistené supravodivé vlastnosti pri oveľa vyšších teplotách, ako je maximum na obrázku s kritickými teplotami, a to pri vodíku alebo jeho jednoduchých zlúčeninách s bežnými prvkami.
Pri extrémne vysokom tlaku, aký je napríklad v jadre Jupitera, tvorí vodík kovovú fázu, ktorá by mohla byť supravodivá pri izbovej teplote.
Podobne sa podarilo obyčajný sulfán (H2S) previesť na kovovú formu, s kritickou teplotou -70 °C, čo už prináleží do oblastí teplôt vyskytujúcich sa v prírode. Teoretické predpovede pre zlúčeniny bohaté na vodík, ako MgH6, dosahujú pri extrémnych tlakoch (okolo 350 GPa) kritickú teplotu dokonca až +120 °C.
Výskum supravodivosti má však veľký význam už v súčasnosti, aj keby izbový supravodič nebol nikdy objavený. Bez využitia javu supravodivosti by zostrojenie niektorých zariadení bolo v princípe nemožné alebo neporovnateľne náročnejšie.
Výskumné aktivity sa preto zameriavajú aj na konštrukciu lacnejších a ľahšie spájateľných supravodičov s lepšími mechanickými vlastnosťami a vyššou hustotou prenášaného prúdu. Z pohľadu technológa zostáva napríklad výroba súvislej bezporuchovej pásky s keramickým supravodičom v dĺžke niekoľkých kilometrov stále výzvou.
A teoretici ešte nenašli uspokojivé vysvetlenie vysokoteplotnej supravodivosti. Niektorými zo spomenutých otázok sa venujú aj pracoviská na Slovensku. V Elektrotechnickom ústave SAV v Bratislave zaoberajú najmä elektromechanickou charakterizáciou supravodičov (experimentálne aj teoreticky), v košickom Laboratóriu materiálovej fyziky SAV skúmajú masívne keramické supravodiče.
Na STU sa výskumu štruktúry supravodičov venuje Materiálovotechnologická fakulta, Univerzitný vedecký park a Fakulta elektrotechniky a informatiky. Niektoré zo spomenutých inštitúcií organizujú deň otvorených dverí, alebo sa zúčastňujú populárnej celoslovenskej Noci výskumníkov.
Text pôvodne vyšiel v magazíne Quark.

[sme.sk 29/11/2016]

Link: http://s.sme.sk/r-rss/20396549/tech.sme.sk/objavili-zazracne-materialy-konecne-ich-pouzivame.html