Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Niedoskonałe nadprzewodniki lepiej działają

Recommended Posts

Badania nad zjawiskiem nadprzewodnictwa trwają już 100, a mimo to ludzie wciąż nie potrafią wykorzystać go w codziennych zastosowaniach. Niezwykle przydatne materiały, jakimi są nadprzewodniki, pracują tylko w bardzo niskich temperaturach, możliwość ich wykorzystania jest zatem bardzo ograniczona.

Jednak wkrótce może się to zmienić dzięki najnowszym badaniom przeprowadzonym w Oak Ridge National Laboratory. Tamtejsi specjaliści postanowili bowiem sprawdzić, w jaki sposób pracują nadprzewodniki działające w wysokich temperaturach. Zmienili wcześniej wykorzystywane oprogramowanie dla superkomputera tak, by zbadać niejednorodne struktury atomów, występujące w nadprzewodnikach. Takie niejednorodności zauważono już dawno, ale dotychczas nie badano ich szczegółowo. Dotychczas wiedziano, że nierównomierna struktura atomowa odkrywa znaczącą rolę w nadprzewodnictwie.

Uczeni z ORNL zauważyli, że mające postać pasków niedoskonałości w strukturze nadprzewodników powodują, iż wykazują one właściwości nadprzewodzące w wyższych temperaturach. To z kolei oznacza, że stają się tańsze i bardziej efektywne.

Dzięki odkryciu, że istnienie tych pasków prowadzi do znaczącego wzrostu temperatury krytycznej do uzyskania nadprzewodnictwa, zadaliśmy sobie pytanie: czy istnieje optymalna niejednorodność - mówi Jack Wells z ORNL.

Uczeni chcą teraz badać materiały z o różnym stopniu niedoskonałości, by poszukać takiego, który będzie wykazywał nadprzewodnictwo w jak najwyższej temperaturze.

Wells przyznaje, że badania nie będą łatwe, jednak, jak zauważa, jego laboratorium dysponuje wszelkimi niezbędnymi zasobami - stworzonym właśnie odpowiednim oprogramowaniem czy badanie struktur w nanoskali za pomocą technik rozpraszania neutronów.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z University of Rochester poinformowali o stworzeniu pierwszego w historii nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Uzyskany przez nich związek wodoru, węgla i siarki wykazuje właściwości nadprzewodzące w temperaturze dochodzącej do 15 stopni Celsjusza. Po raz pierwszy w historii można rzeczywiście stwierdzić, że osiągnięto nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, mówi Ion Errea z Uniwersytetu Kraju Basków, fizyk-teoretyk zajmujący się materią skondensowaną. Wyniki badań opublikowano na łamach Nature.
      Naukowcy od dawna poszukują nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej. Materiały takie zrewolucjonizowałyby wiele dziedzin życia. Pozwoliłyby na bezstratne przesyłanie energii liniami wysokiego napięcia, budowę lewitujących pociągów wielkich prędkości czy stworzenie znacznie bardziej wydajnych komputerów. Niestety, opracowany przez Amerykanów materiał nigdy nie posłuży do stworzenia wspomnianych urządzeń, gdyż wykazuje właściwości nadprzewodzące przy ciśnieniu sięgającym 75% ciśnienia panującego w ziemskim jądrze.
      Ludzie od dawna marzą o nadprzewodnikach. Dlatego też mogą nie docenić tego, co zostało osiągnięte, gdyż potrzebujemy do tego wysokich ciśnień, mówi Chris Pickard z University of Cambridge.
      Teraz, gdy udowodniono, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest możliwe, należy jeszcze znaleźć materiał, który będzie nadprzewodnikiem przy ciśnieniu atmosferycznym. Na szczęście niektóre cechy nowego związku sugerują, że możliwe będzie znalezienie odpowiedniego materiału.
      Opór elektryczny to zjawisko, które ma miejsce, gdy przemieszczające się elektrony zderzają się z atomami metalu, w którym podróżują. W 1911 roku odkryto, że w niskich temperaturach elektrony wywołują drgania w sieci atomowej metallu, a w wyniku tych drgań elektrony łączą się w pary Coopera. Różne prawa fizyki kwantowej powodują, że pary takie przemieszczają się przez sieć krystaliczną metalu, nie napotykając na żaden opór. Jakby jeszcze tego było mało, tworzą one „nadprzewodzący płyn”, który posiada silne pole magnetyczne, pozwalające np. na osiągnięcie magnetycznej lewitacji nad nadprzewodzącymi szynami kolejowymi.
      W 1968 Neil Ashcroft z Cornell University stwierdził, że w osiągnięciu nadprzewodnictwa powinny pomóc atomy wodoru. Co prawda potrzeba jest niezwykle wysokich ciśnień, by uzyskać sieć krystaliczną wodoru, jednak praca Ashcrofta dawała nadzieję, że uda się znaleźć taki związek wodoru, dzięki któremu będzie to możliwe przy niższych ciśnieniach.
      Szybkich postępów zaczęto dokonywać w XXI wieku, kiedy to z jednej strony pojawiły się potężniejsze komputery, pozwalające na przeprowadzanie teoretycznych obliczeń i warunków, jakie powinny być spełnione, by osiągnąć nadprzewodnictwo, z drugiej zaś rozpowszechniło się użycie kompaktowych komór diamentowych, pozwalających na osiąganie bardzo wysokich ciśnień.
      Badania tego typu są bardzo kosztowne, o czym świadczy chociażby przykład z Rochester. Zespół naukowy, który pochwalił się osiągnięciem nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, posiłkował się obliczeniami i intuicją. Podczas prac testowano wiele związków wodoru, z różną zawartością wodoru. Konieczne było bowiem znalezienie odpowiednich proporcji tego pierwiastka.
      Jeśli będziemy mieli zbyt mało wodoru, nie uzyskamy dobrego nadprzewodnika. Jeśli będzie go zbyt dużo, to formę metaliczną przybierze on przy ciśnieniach, które niszczą diamentowe ostrza komory. W czasie swoich badań uczeni zniszczyli dziesiątki par takich ostrzy, z których każda kosztuje 3000 USD. Budżet na diamenty to największy problem, przyznaje Ranga Dias, szef zespołu badawczego.
      Dzisiejszy sukces był możliwy dzięki wykorzystaniu osiągnięć niemieckich naukowców, którzy w 2015 roku uzyskali nadprzewodzący siarkowodór w temperaturze -70 stopni Celsjusza. Amerykanie również rozpoczęli swoją pracę od siarkowodoru. Dodali do niego metan, a całość przypiekli laserem. Byliśmy w stanie wzbogacić całość i wprowadzić do systemu odpowiednią ilość wodoru, by utrzymać pary Coopera w wysokich temperaturach, wyjasnia Ashkan Salamat.
      Naukowcy przyznają, że nie wiedzą dokładnie, jak wygląda ich materiał. Wodór jest zbyt mały, by było go widać w standardowym próbkowaniu struktury, nie wiadomo zatem, jak dokładnie wygląda sieć krystaliczna uzyskanego związku, ani nawet jaka jest jego dokładna formuła chemiczna. Uzyskane wyniki nie do końca zgadzają się też z wcześniejszymi teoretycznymi przewidywaniami. Niewykluczone, że wysokie ciśnienie w jakiś nieprzewidywalny sposób zmieniło badaną substancję, dzięki czemu udało się uzyskać tak dobre nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.
      Obecnie Dias i jego grupa pracują nad dokładnym określeniem budowy swojej substancji. Gdy już będą to wiedzieli, teoretycy będą mogli przystąpić do obliczeń, pozwalających na dalsze udoskonalenie przepisu na nadprzewodnik w temperaturze pokojowej.
      Dotychczas udowodniono, że próba uzyskania działającego w temperaturze pokojowej nadprzewodnika złożonego z wodoru i jeszcze jednego pierwiastka to ślepy zaułek. Jednak trójskładnikowe związki mogą być rozwiązaniem problemu. Szczególnie obiecująco wygląda tutaj dodanie węgla do całości. Węgiel ma bardzo silne wiązania kowalencyjne i, jak się wydaje, zapobiega on rozpadaniu się par Coopera przy mniejszym ciśnieniu.
      Ciśnienie atmosferyczne będzie tutaj bardzo dużym wyzwaniem. Ale jeśli do równania dodamy węgiel, to jest to bardzo dobry prognostyk na przyszłość, mówi Eva Zurek z zespołu obliczeniowego, który współpracuje z grupą Diasa.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy wykorzystujący Advanced Photon Source z Argonne National Laboratory badają materiał, w których zaobserwowano zjawisko nadprzewodnictwa istniejące w temperaturze -23 stopni Celsjusza. To o około 50 stopni wyższa temperatura niż dotychczasowy rekord.
      Mimo, że nadprzewodnictwo pojawia się w ekstremalnie wysokim ciśnieniu, to i tak mamy tutaj do czynienia z wielkim postępem. Ostatecznym celem jest wykorzystanie nadprzewodnictwa w codziennych zastosowaniach.
      Naukowcy określili dwa warunki, które definiują materiały, które nadają się na nadprzewodniki. Materiał musi umożliwiać przewodzenie prądu bez oporów oraz być odpornym na działanie pola magnetycznego, które nie może go penetrować.
      Dotychczas nadprzewodnictwo uzyskiwano po schłodzeniu materiału do bardzo niskich temperatur. Jednak takie chłodzenie jest niezwykle kosztowne i znacząco obniża możliwość zastosowania tej technologii.
      Ostatnie badania teoretyczne wykazały, że nowe klasy hybryd mogą wykazywać nadprzewodnictwo w wysokich temperaturach. Naukowcy z Instytutu Chemii im. Maksa Plancka połączyli siły z University of Chicago. Razem stworzyli materiał o nazwie superwodorek lantanu, przetestowali go pod kątem nadprzewodnictwa oraz określili jego strukturę i skład.
      Jedynym problemem jest fakt, że materiał ten wykazuje nadprzewodnictwo przy ciśnieniu 150–170 GPa. To ciśnienie około 1,5 miliona razy większe niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza.
      W materiale zauważono trzy z czterech cech charakterystycznych dla nadprzewodnictwa. Zaniknęła oporność, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego zmniejszyła się temperatura krytyczna oraz doszło do zmiany temperatury gdy niektóre pierwiastki zastąpiono innymi izotopami. Czwarta z cech, efekt Meissnera, czyli zanik pola magnetycznego w nadprzewodniku, nie został zaobserwowany. Stało się tak dlatego, że badano na tyle małą próbkę materiału, iż zjawiska tego nie można było wykryć.
      Temperatura, przy jakiej zaobserwowano nadprzewodnictwo, naturalnie występuje w wielu miejscach na świecie. To zaś daje nadzieję, że w końcu uda się stworzyć materiał, w którym nadprzewodnictwo pojawi się w temperaturze pokojowej, a przynajmniej przy 0 stopniach Celsjusza.
      Obecnie naukowcy pracują nad nowym materiałem, który wykaże nadprzewodnictwo w warunkach jeszcze bardziej zbliżonych do naturalnych. Naszym następnym celem jest zmniejszenie ciśnienia, przy którym syntetyzowane są próbki, zwiększenie temperatury tak, by była bliższa pokojowej, a być może stworzenie materiału, który powstaje przy wysokim ciśnieniu, ale nadprzewodnictwo występuje w nim przy ciśnieniu atmosferycznym, stwierdzili naukowcy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Japoński naukowiec, a prywatnie miłośnik alkoholu, po jednym z przyjęć odkrył, że zanurzenie próbki, którą się zajmował, w drinkach przekształciło ją w nadprzewodnik działający w temperaturze kilku kelvinów. Naukowiec ten to doktor Yoshihiko Takano z Narodowego Instytutu Nauk Materiałowych w Tsukubie. Po jednym z przyjęć postanowił sprawdzić, jak na właściwości potencjalnego nadprzewodnika wpłynie alkohol. Wspomniana próbka to mieszanina sproszkowanych żelaza, telluru i siarczku telluru, które zamknięto w kwarcowej tubie i przez 10 godzin trzymano w temperaturze 600 stopni Celsjusza. Normalnie nie wykazuje ona właściwości nadprzewodzących, ale zyskuje je po zanurzeniu w wodzie lub wystawieniu na działanie tlenu.
      Po przyjęciu Takano zaczął się zastanawiać czy to, co pił, będzie miało na wspomnianą mieszaninę podobny wpływ jak czysta woda. Razem z kolegami zanurzali próbki w piwie, czerwonym i białym winie, sake, destylacie Shochu, whisky oraz w mieszaniniach wody i etanolu. Płyny były podgrzewane do temperatury 70 stopni, a próbka przebywała w nich przez 24 godziny.
      Badania wykazały, że mieszanina wody i etanolu zwiększa nadprzewodnictwo, ale jest ono niezależna od koncentracji alkoholu. Jeszcze lepsze rezultaty uzyskano przy pomocy typowych sprzedawanych komercyjnie napojów alkoholowych. Także i w ich przypadku nie zauważono zależności pomiędzy koncentracją alkoholu a nadprzewodnictwem. Uczeni wyliczyli, że dopuszczalna magnetyzacja próbek, przy której nie traciły one właściwości nadprzewodzących, zwiększała się od 23,1% w przypadku Sochu do 62,4% po zanurzeniu w czerwonym winie. Mieszanina wody z etanolem nie dawała wyniku lepszego niż 15%.
      Uczeni spekulują, że dzieje się tak, gdyż wino i piwo prowadzą do szybkiego utleniania się, a testowana przez nich próbka wykazuje właściwości nadprzewodzące w obecności tlenu. Szczegółowe wyjaśnienie zaobserwowanego zjawiska wymaga jednak dalszych badań.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dwutlenek tytanu to jeden z „cudownych" materiałów współczesnej technologii. Przydaje się w roli katalizatora w wielu procesach chemicznych, stosowany jest także jako środek antybakteryjny i domieszkowany do farb, czy nawet w „cudownych" szczoteczkach do zębów, nie wymagających pasty. Jednym z ciekawszych zastosowań jest jego zdolność do neutralizowania szkodliwych tlenków azotu, na przykład emitowanych przez samochody. Naukowcy z Uniwersytetu w Eindhoven odkryli, jak domieszkować dwutlenek tytanu (TiO2) do betonu, uzyskując drogi które same neutralizują niemal połowę spalin samochodowych.
       
      Beton nasz powszedni
       
      Te same wątpliwości dotyczą innych nanocząstek, jakie bada doktor Anil Kumar Suresh wraz ze współpracownikami z Biological and Nanoscale Systems Group w amerykańskim Oak Ridge National Laboratory. Na podobnych zasadach stosuje się bowiem nanocząstki złota (Ag), tlenku cynku (ZnO) i dwutlenku ceru (CeO2). Dr Suresh tłumaczy, że szkodliwość nanocząstek jest trudna do określenia, zależy bowiem od bardzo wielu czynników: rozmiaru, kształtu, technologii produkcji i zastosowanych chemikaliów, związków chemicznych, które mogą pozostawać na ich powierzchni. Oszacowanie szkodliwości materiału pochodzącego od jednego producenta nic nam nie mówi o właściwościach formalnie takiego samego materiału, ale pochodzącego z innej firmy. Producenci tymczasem nie udzielają informacji o przeznaczeniu produktów, sposobach produkcji, czy transportu.
      W przypadku dwutlenku tytanu większość rodzajów nanocząsteczek jest szkodliwa, z wyjątkiem tych wytwarzanych metodami biologicznymi (przez grzyby lub bakterie, które prawdopodobnie pokrywają nanocząstki ochronnymi proteinami). Jednak wszystkie komercyjnie dostępne nanocząstki TiO2 produkowane są metodami chemicznymi. Co więcej, promieniowanie radiowe zwiększa ich szkodliwość nawet od dwudziestu do czterdziestu razy.
      Tymczasem domieszkowanie materiałów dwutlenkiem tytanu i innymi katalizatorami jest coraz bardziej powszechne, a nie ma właściwie żadnych badań nad długotrwałymi efektami ich stosowania. Nawet biorąc za dobrą monetę zapewnienia producenta, że mikrocząstki TiO2 nie mogą uwolnić się z materiału, pozostaje zbyt wiele niewiadomych. A tymczasem może się okazać, że długofalowe efekty okażą się brzemienne w skutki, jak to ostatnio dzieje się z ponoć „całkowicie bezpiecznym" Bisfenolem A.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W Stanach Zjednoczonych powstają dwa niezwykle wydajne superkomputery. Obie maszyny mają osiągnąć wydajność 20 petaflopsów i mogą trafić na listę TOP500 w czerwcu 2012 roku. Obecnie najbardziej wydajny superkomputer to chiński Tianhe-1A, który jest w stanie wykonać 2,566 petaflopa w ciągu sekundy.
      Pierwszy z superkomputerów powstaje w Oak Ridge National Laboratory (ORNL), które obecnie jest w posiadaniu m.in. maszyny Jaguar, drugiego pod względem wydajności superkomputera. Komputer o podobnej mocy buduje też IBM na zlecenie Lawrence Livermore National Laboratory. Ma on zostać dostarczony zamawiającemu już w przyszłym roku, a pełną moc osiągnie w roku 2012.
      Obecnie jest zbyt wcześnie, by wyrokować, czy powstające amerykańskie maszyny obejmą prowadzenie na liście TOP500. Superkomputery to niezwykle przydatne narzędzia badawcze i bardzo interesują się nimi Chiny. Amerykańscy eksperci twierdzą, że Państwo Środka ma ambicję budowy superkomputera opartego wyłącznie na rodzimej technologii i może zrealizować ten cel w ciągu 12-18 miesięcy. Specjaliści przypuszczają, że projektowana maszyna ma charakteryzować się mocą ponad 1 PFlops. Wiadomo, że Chińczycy już używają własnej technologii. Najpotężniejszy superkomputer świata Tianhe-1A korzysta przede wszystkim z układów Intela oraz Nvidii, ale zastosowano w nim również procesory FeiTeng-1000. To 8-rdzeniowe układy korzystające z architektury Sparc. Są one wykorzystywane do zarządzania węzłami superkomputera. Wiadomo też, że Chiny dysponują własnymi technologiami przesyłu danych szybszymi od otwartego InfiniBand. Wciąż jednak nie dorównują one wydajnością zamkniętym standardom oferowanym przez amerykańskie firmy.
      Jeremy Smith, dyrektor Centrum Biofizyki Molekularnej w ORNL mówi, że bardzo cieszy go konkurencja, gdyż zwiększające się zainteresowanie superkomputerami przyczynia się do ich rozwoju. W konkurencji z innymi krajami wszyscy wygrywają - dlatego bardzo mi się to podoba - mówi Smith. Jak wspomina, gdy w roku 2002 pojawił się japoński Earth Simulator zaszokował on środowisko, a National Research Council w swoim raporcie stwierdził, że był to dzwonek alarmowy, pokazujący, iż możemy nie tylko stracić przewagę nad konkurencją, ale również, co ważniejsze, zdolność do osiągnięcia własnych celów.
      Naukowcy z niecierpliwością czekają na pojawienie się komputerów pracujących w eksaskali. Maszyna o wydajności 1 eksaflopsa będzie wykonywała w ciągu sekundy trylion (1018) operacji zmiennoprzecinkowych. To dla nauki oznacza skok jakościowy. System eksaskalowy pozwoli bowiem na dokładne symulowanie pojedynczej komórki. Każdy atom będzie tam reprezentowany - mówi Smith. To z kolei będzie miało kolosalne znaczenie dla rozwoju medycyny, biologii i nauk pokrewnych.
      Pierwsze systemy eksaskalowe mogą pojawić się jeszcze przed rokiem 2020.
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...