Znajdź zawartość

Wydawałoby się, że trudno o bardziej przewidywalny pierwiastek niż lit - najlżejszy metal, o licznie atomowej zaledwie 3. Tymczasem okazało się, że zachowanie litu bywa nieprzewidywalne i zależy od zjawisk kwantowych. W warunkach pokojowych lit przybiera formę kryształu o strukturze romboedru, przy wyższym ciśnieniu i temperaturze zmieniającą się w układ regularny (sześcienny) centrowany ściennie lub przestrzennie. Są to najprostsze struktury krystaliczne, nie spodziewano się więc żadnych niespodzianej przy innych warunkach, dopóki w ciągu ostatnich kilku lat nie zaobserwowano kilku zaskakujących anomalii, jak przejście z metalu do półprzewodnika w niskiej temperaturze, a poniżej 17 Kelwinów nawet nadprzewodnika. Uczeni z University of Edinburgh oraz Carnegie Institution of Washington doszli do wniosku, że dane na temat zachowania litu są niekompletne i poddali go testom w szerokim zakresie: aż do ciśnienia 1,3 Mbara i w zakresie temperatur od 77 do 300 Kelwinów. Wyniki okazały się bardzo ciekawe. Pierwszą niespodzianką była temperatura topnienia, który w większości materiałów rośnie wraz z ciśnieniem i nawet dla najlżejszych gazów: wodoru i helu wynosi 1000 Kelwinów przy ciśnieniu 0,5 Mbara, zaś lit przy takim ciśnieniu pozostaje w stanie ciekłym aż do zdumiewająco niskiej temperatury 190 K - to najniższa temperatura topnienia przy takim ciśnieniu, jaką zaobserwowano dla jakiegokolwiek materiału. Kolejne niespodzianki czekały przy podnoszeniu ciśnienia powyżej 0,6 Mbara. Tak ściskany lit zmienia swoją strukturę krystalograficzną na bardziej skomplikowaną, przyjmując postaci z 40, 88 i 24 atomami na pojedynczy element kryształu. Struktury złożone z 40 i 88 atomów nie mieściły się nawet w teoretycznych przewidywaniach. Wygląd wykresy zależności stanu litu od temperatury i ciśnienia, zwłaszcza zaś zaskakująco niska temperatura topnienia są wynikiem tego, że w jego zachowaniu przy wysokim ciśnieniu zaczynają przeważać efekty kwantowe. Eksperymenty przeprowadzano w laboratoriach U.S. Department of Energy Office of Science's Advanced Photon Source (APS) w Argonne, oraz w European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) we francuskim Grenoble; wyniki badań opublikowano w Nature Physics.

Poszukiwanie nadprzewodników pracujących w jak najwyższych temperaturach to olbrzymia gałąź nauki. Marzeniem każdego badacza na tym polu jest wynalezienie materiału oferującego nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, zamiast w ultraniskich temperaturach. Jednak każdy stopień wyżej to już sukces technologiczny, pozwalający potencjalnie obniżyć koszty funkcjonowania wielu urządzeń. A także, oczywiście, przybliżający nas do zrozumienia tego zjawiska. Odkrycie dokonane przez naukowców z uniwersytetów w Liverpoolu i Durham można chyba określić jako prawdziwy przełom. Otwiera ono drzwi do całkiem nowego podejścia. Cudownym środkiem był znów pierwiastek, który od parunastu lat rewolucjonizuje kolejne dziedziny technologii: węgiel. A dokładnie: fulereny, czyli stworzone z atomów węgla mikroskopijne sfery. Przy wykorzystaniu infrastruktury Europejskiego Ośrodka Synchrotronu Atomowego w Grenoble, a dokładniej urządzeń ISIS oraz Diamond z Rutherford Appleton Laboratory (RAL) stworzyli oni hybrydowy materiał złożony z atomów metali oraz najprostszych fulerenowych kulek C60 (złożonych z sześćdziesięciu atomów węgla, pierwszych, jakie odkryto i najpowszechniejszych). Stworzony materiał ścisnęli, powodując zmiany jego struktury, uzyskując jego nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze. Jak mówi dr Peter Baker, naukowiec operujący urządzeniem ISIS: odkrycie pozwala domniemać, że istnieje pewien ogólny trend w wysokotemperaturowych nadprzewodnikach. To wielki krok naprzód w w zrozumieniu podstaw działania nadprzewodników. Wiedza, jak właściwie funkcjonuje nadprzewodnictwo pozwoliłoby takie materiały tworzyć łatwiej, nadając im określone, pożądane przez nas właściwości. To otwarcie drzwi do nowych zastosowań i bezstratnego przesyłania energii. Przykładowe zastosowanie wynalazku to możliwość udoskonalenia konstrukcji aparatury do funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (MRI). Taki aparat zawiera olbrzymi magnes, który dla zachowania nadprzewodnictwa musi być zanurzony w ciekłym helu, który utrzymuje temperaturę -270 stopni Celsjusza. Możliwość zrezygnowania z drogiego i kłopotliwego chłodzenia bardzo obniżyłaby koszty i zwiększyła dostępność tej diagnostyki. Ważną zaletą odkrycia, co podkreślają autorzy odkrycia Matthew Rosseinsky i Kosmas Prassides, jest możliwość łatwych prac nad różnymi wersjami nowego materiału. Eksperymentowanie z różnymi metalami i związkami metali, różnymi wersjami fulerenów, ciśnieniem i innymi parametrami być może pozwoli nie tylko odkryć lepsze materiały, ale zrozumieć: jak i dlaczego to właściwie działa.