Wetenschappers van de Ural Federal University (UrFU) samen met hun collega's van de Lomonosov Moscow State University, hebben een wiskundige methode ontdekt om de temperatuur te berekenen waarbij enkelwandige koolstofnanobuizen supergeleiders werden en een manier ontwikkeld om deze te verhogen, waardoor nieuwe perspectieven worden geopend voor de toepassing van supergeleidende materialen. Het werk is gepubliceerd in Koolstof logboek.

Supergeleidende materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand worden gebruikt in cyclotrons, magnetische treinen, hoogspanningslijnen en supergevoelige magnetometers (apparaten die worden gebruikt om het magnetische veld van de aarde te meten). Nog altijd, het belangrijkste probleem met supergeleiding is dat het wordt uitgedrukt bij temperaturen iets boven het absolute nulpunt (-273°C). Als een materiaal supergeleidend is rond -70°C, het mikt op een record. De leider onder alle materialen is waterstofsulfide, bevroren onder ongelooflijke druk - het wordt een supergeleider bij -70 ° C.

"Supergeleiding bij kamertemperatuur is de droom van de mensheid. Bijvoorbeeld, je mobiele telefoon hoeft niet meer op te laden, en elektriciteit kan eeuwig blijven draaien, " zegt dr. Chi Ho Wong, een postdoc van de Ural Federal University en een co-auteur van het werk.

Het vermogen van koolstof om plat te vormen, grafeenplaten van één atoom dik (afzonderlijke grafietlagen) hebben de aandacht van wetenschappers getrokken. Het rollen van zo'n vel om een ​​buis te maken levert een andere interessante structuur op:een enkelwandige koolstofnanobuis (SWCNT). Deze structuren zijn zeer trekvast, licht op een ongebruikelijke manier breken, en kan op veel gebieden worden gebruikt, van elektronica tot biogeneeskunde. Atomen die in de wanden van dergelijke buizen worden ingebracht, kunnen hun eigenschappen veranderen, inclusief geleidbaarheid. Het kan afhangen van de oriëntatie van de zeshoeken die de koolstoflaag vormen, op de vulling van de buis, of op extra ingevoegde of aangehechte atomen van andere elementen.

Enkelwandige koolstofnanobuizen worden actief bestudeerd als toekomstige supergeleiders. Echter, hun diameter is slechts 4 angstrom (vier tienden van een nanometer), daarom zijn ze dicht bij 1-D materialen. Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, er vormen zich zogenaamde Cooper-paren van elektronen. Bij afwezigheid van kromming, Cooperparen vormen zich niet, en er wordt geen supergeleiding waargenomen.

"Onze taak was om de 1-D-structuur te veranderen om de temperatuur van de supergeleidende overgang te verhogen, " zegt Anatoly Zatsepin, het hoofd van een wetenschappelijk onderzoekslaboratorium aan het Instituut voor Natuurkunde en Technologie, UrFU. "Het bleek dat als je SWCNT's opstapelt, Cooperparen stabiliseren, en er wordt een supergeleider gevormd." Toch, zelfs dergelijke palen vereisen vrij lage temperaturen om supergeleidende eigenschappen te vertonen - slechts 15 graden boven het absolute nulpunt.

Natuurkundigen hebben hier een oplossing voor gevonden. Ze voegden een koolstofdraad van één atoom toe in een SWCNT. De ketting zelf vormt geen bindingen met de atomen van de buis, maar het zorgt ervoor dat de buis zijn eigen geometrie verandert en buigt.

Toen het team van UrFU de vorm van de interne koolstofketen veranderde van recht naar zigzagachtig, ze slaagden erin om de temperatuur van de supergeleidingstransitie met 45 graden te verhogen. Om het beste effect te bereiken, de hoeken van zigzag werden wiskundig berekend, en de voorspellingen bleken te kloppen.