برای اولین بار در جهان خاصیت ابر رسانایی در دمای اتاق ممکن شد

برای اولین بار در جهان خاصیت ابر رسانایی در دمای اتاق ممکن شد

فیزیکدان‌ها اخیرا از دستاوردی بزرگ در حوزه ابر رسانایی خبر دادند؛ گفته شده که برای نخستین بار در تاریخ بشریت این ویژگی شگفت‌انگیز مواد برای انتقال جریان الکتریسیته در دمای اتاق فراهم شده است.

ابر رسانایی (Superconductivity) ویژگی بوده که باعث می‌شود تا جریان الکتریسیته و حرارت بدون مواجه شدن با هیچ مقاومتی از مواد عبور کند. معمولا می‌بینیم که سیم‌های مسی و یا رساناهای دیگر با عبور دادن مقدار مشخصی الکتریسیته شروع به داغ شدن می‌کنند و این حرارت ناشی از مقاومت موجود در سیم به واسطه رد شدن جریان برق است. در همین رابطه، با توجه به اینکه مواد فوق رسانا در شرایط دمایی و فشاری شدیدی نگهداری می‌شوند، خبر رسیده که دانشمندان اخیرا چنین ویژگی را در دمای اتاق به وجود آورده‌اند.

گفته شده که دمای مورد نظر ۱۵ درجه سلسیوس بوده و ماده تحت آزمایش هم در این دما بدون نشان دادن هیچ مقاومتی الکتریسیته را از خود عبور داده است. در واقع به واسطه شرایط دمایی عجیب و غریب لازم برای ابر رسانا شدن مواد مختلف، به کار گیری چنین ویژگی در دنیای واقعی و برای وسایل مصرفی فوق‌العاده چالش بر انگیز خواهد بود. با این حال رکورد جدید ثبت شده این ویژگی را به حالت استفاده عمومی نزدیک‌تر می‌کند.

قبل از دستاورد اخیر، دانشمندان بهترین رکورد خود را در دمای ۲۳- درجه سلسیوس ثبت کردند و به نظر می‌رسد که نسبت به شرایط قبلی، دمای ۱۵ درجه پیشرفتی قابل توجه است.

ابر رسانایی در دمای اتاق

فیزیکدان راگنا دیاس (Ranga Dias) از دانشگاه روچستر می‌گوید که به دلیل دمای بسیار پایین مورد نیاز برای رسیدن به ویژگی ابر رسانایی مواد مورد نظر، این خاصیت آن‌طوری که انتظار می‌رود تجهیزات ساخت دست بشر را دگرگون نکرده است؛ با این حال دیاس می‌گوید که دستاورد تیم او محدودیت‌های کنونی را از بین خواهد برد و به کار گیری مواد فوق رسانا در وسایل روزمره را به واقعیت تبدیل خواهد کرد.

برای اولین بار در جهان خاصیت ابر رسانایی در دمای اتاق ممکن شد

خاصیت فوق رسانایی برای اولین بار در سال ۱۹۱۱ کشف شد و از آن زمان تاکنون، فیزیکدان‌ها سخت در تلاش بوده‌اند تا به طریقی از این ویژگی شگفت‌انگیز استفاده کنند. این خاصیت دو ویژگی منحصر به فرد دارد؛ در ابتدا بحث نبود مقاومت مطرح می‌شود که به آن اشاره کردیم. در واقع وقتی جریان الکتریسیته از درون ماده‌ای رسانا رد می‌شود، همانند حرکت هواپیماها در آسمان که باید با بحث مقاومت هوا مقابله کنند، مقداری از برق عبوری به واسطه این مقاومت به گرما تبدیل می‌شود.

این هدر رفت انرژی سالانه چندین میلیارد دلار به کشورهای مختلف جهان ضرر میزند و برطرف کردن آن می‌تواند کارایی سیستم انتقال الکتریسیته را به سطح جدیدی ببرد.

ویژگی دوم با نام اثر مایسنر (Meissner effect) شناخته می‌شود؛ بر طبق ماهیت این پدیده، ابر رسانا میدان‌های مغناطیسی را از خود به بیرون می‌دهد و اگر یک آهنربا را روی ماده‌ای با قابلیت ابر رسانایی قرار دهیم، آهنربا معلق خواهد شد.

هیدروژن و فوق رسانایی

همان‌طور که اشاره شد، به کار گیری مواد فوق رسانا در حوزه‌های مختلفی به نفع بشریت خواهد بود و از قطارهای مغناطیسی معلق گرفته تا انتقال سریع داده‌ها و از بین بردن هدر رفت الکتریسیته به هنگام انتقال، این مواد کاربردهای شگفت‌انگیزی خواهند داشت.

برای اولین بار در جهان خاصیت ابر رسانایی در دمای اتاق ممکن شد

با این وجود اشاره کردیم که دمای پایینی برای رسیدن به این خاصیت مواد لازم است و معمولا این دما می‌تواند به میزان ۱۴۰- درجه سلسیوس هم برسد. پایین آوردن دمای مواد تا این حد و نگه‌داشتن آن‌ها در چنین وضعیتی که از دماهای یافت شده در محیط‌های طبیعی بسیار کمتر بوده، چالش بر انگیز و پرهزینه خواهد بود.

در تلاش برای برطرف کردن این چالش، دانشمندان موفق شده‌اند تا دمای مورد نظر را در مواد سبکی مانند سولفید هیدروژن و هیدرید لانتان بالا ببرند؛ عنصر مشترک بین این دو ماده هیدروژن بوده که به عنوان سبک‌ترین عنصر طبیعت هم شناخته می‌شود. با این حال هیدروژن به عنوان یک گاز عملا نقش عایق الکتریسیته را بازی می‌کند و برای رساندن به حالت ابر رسانایی باید آن را در فشارهای بسیار بالا به حالت فلزی تبدیل کرد.

دیاس در این باره می‌گوید که برای بالا بردن دمای مواد به منظور رساندن آن‌ها به حالت فوق رسانایی باید دو فاکتور مهم در نظر گرفته شوند؛ پیوندهای قوی و عناصر سبک. با این تفاسیر هیدروژن به عنوان عنصری سبک ایدئال بوده و از طرف دیگر پیوند هیدروژنی هم فوق‌العاده قوی است. به این ترتیب هیدروژن فلزی با برخورداری از ویژگی‌های لازم امکان رسیدن به این قابلیت در دماهای بالا و حتی دمای اتاق را فراهم می‌کند.

تلاش برای موفقیت

با این تفاسیر می‌دانیم که رسیدن به حالت فلزی در عنصر هیدروژن نیازمند وارد کردن فشار زیادی خواهد بود و فراهم کردن چنین شرایطی بسیار چالش بر انگیز است؛ دو تیم از محققان در سال‌های اخیر خبرهای امیدوار کننده‌ای از ایجاد این شرایط به شکل موفقیت‌آمیز منتشر کرده‌اند. یکی از این تیم‌ها در سال ۲۰۱۷ گزارش کرد که هیدروژن در فشارهای ۴۶۵ و ۴۹۵ گیگا پاسکال و دمای ۲۶۸- سلسیوس به حالت فلزی می‌رسد. برای مقایسه جالب است بدانید که فشار موجود در هسته زمین تنها بین ۳۳۰ تا ۳۶۰ گیگا پاسکال است!

گروه دیگری از دانشمندان هم در سال گذشته میلادی اعلام کرد که همین وضعیت هیدروژن با فشار ۴۲۵ گیگا پاسکال و دمای بالاتر ۱۹۳- به وجود می‌آید؛ با این حال هیچ کدام از شرایط مورد نظر به دمای اتاق نزدیک نیستند.

به این ترتیب برای دستیابی به قابلیت ابر رسانایی هیدروژن فلزی تیم دیاس به سراغ فلزهایی رفتند که مقدار زیادی هیدروژن در آن‌ها وجود دارد؛ سولفید هیدروژن و هیدرید لانتان که قابلیت فوق رسانایی هیدروژن فلزی را در دمایی بسیار بالاتر ایجاد می‌کنند.

آینده خاصیت ابر رسانایی

تیم دیاس به سرپرستی فیزیکدانی با نام الیوت اسنایدر (Elliot Snider) کار خود را شروع کرد؛ در قدم اول اسنایدر و همکارانش عنصر ایتریم و هیدروژن را ترکیب کرده و به سوپرهیدراد ایتریم دست یافتند. این ماده در دمای ۱۱- درجه سلسیوس و فشار ۱۸۰ گیگا پاسکال به حالت فوق رسانایی می‌رسد.

در قدم بعدی با ترکیب کربن، سولفور و هیدروژن این محققان توانستند هیدرید سولفور کربندار را بسازند و سپس با فشرده کردن این نمونه در یک سندان الماس، فشار لازم برای رسیدن به ابر رسانایی را به وجود آوردند. در نهایت گزارش شد که این ماده در دمای ۱۵ درجه سلسیوس و فشار ۲۷۰ گیگا پاسکال فوق رسانا می‌شود.

البته مسلما چنین وضعیتی برای ایجاد خاصیت مورد نظر فوق‌العاده غیر معمول بوده و با رساندن آن به حالت کاربردی در زندگی روزمره فاصله زیادی دارد. به علاوه نمونه تحت آزمایش محققان هم فوق‌العاده کوچک و در حد ۳۰ میکرون است و فشار به وجود آورنده فوق رسانایی بسیار بیشتر از چیزی است که در حالت عادی با آن سر و کار داریم.

در آینده تیم اسنایدر قصد دارد تا فشار مورد نیاز برای ابر رسانایی نمونه را کاهش دهد. این دانشمندان امیدوارند که روزی در کنار حفظ دمای اتاق، فشار لازم برای این منظور را هم به فشار محیط کاهش دهند تا شاهد به کار گیری مواد فوق رسانا در وسایل روزمره باشیم.

مقاله این تیم تحقیقاتی در ژورنال “Nature” منتشر شده است.

پاسخ بدهید

وارد کردن نام و ایمیل اجباری است | در سایت ثبت نام کنید یا وارد شوید و بدون وارد کردن مشخصات نظر خود را ثبت کنید *

*