Race om superledere krymper til nanoskala

(PhysOrg.com) - Et team af forskere fra UT Dallas, Clemson University og Yale University bruger videnskab på nanoskalaen til at løse en af ​​de mest undvigende udfordringer inden for fysik - opdagelsen af ​​stuetemperatur -superledning. Med det som det endelige mål, teamet arbejder på at udvikle superledende tråde fremstillet af nanorør, der bærer høje strømme ved temperaturen af ​​flydende nitrogen, eller højere.

Med et forskningsstipend på $ 3 millioner fra Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), teamet har påbegyndt et femårigt projekt for at opfinde nye superledende ledninger baseret på højt konstruerede nanomaterialer, hver komponent tusinder af gange mindre end et menneskehår. Sådanne ledninger vil blive brugt til applikationer lige fra magneter til magnetisk resonansbilleddannelse til udskiftning af energispildende kobber i kraftoverførselsledninger.

Mens traditionelle kobbertråde er meget ledende, de mister magten ved modstand, som omsættes til spild af energi. Superledende materialer overfører strøm uden modstand, men de skal afkøles til lave temperaturer.

”Året 2011 markerer 100 år siden, at superledning blev opdaget, ”Sagde Dr. Anvar Zakhidov, en af ​​forskerne på projektet og en associeret direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "Stadig, problemet med at finde en rumtemperatur superleder ikke er løst, og nuværende høj temperatur superledere bliver ikke-superledende, når strømme er moderate. Også, moderne superledende materialer ved høj temperatur er for sprøde, dyrt og mangelfuldt i elektroniske egenskaber til stor anvendelse. Vi håber at overvinde disse begrænsninger ved at fremstille ledninger fra nanorør, ved hjælp af carbon nanorør eller andre nanorør forstærket af atomer som bor, nitrogen eller svovl. ”

Ifølge Zakhidov, hvem er professor i fysik, så meget som 30 procent af elektrisk energi kan gå tabt som varme, når elektricitet kører gennem elledninger. Superledende materialer lover enorme miljø- og energibesparelser.

Under ledelse af Zakhidov og Dr. Ray Baughman, direktør for NanoTech Institute, teamet på instituttet har allerede banebrydende metoder til at samle nanomaterialer til garn.

“At lave supraledende tråde og kabler fra nanofibre og nanopartikler giver særlige udfordringer, der går ud over opdagelsen af ​​nye superledere, ”Sagde Baughman. "For eksempel, for hvert pund superledende ledning, det kan være nødvendigt at samle mere end 3 milliarder miles af individuelle nanorør - og målet er at opnå denne samling til kommercielt nyttige priser. Til denne opgave, vi opfinder radikalt nye metoder til fremstilling af superledende tråde. ”

Dr. Lisa Pfefferle, professor i kemiteknik ved Yale University og medlem af forskerholdet, eksperimenterer med nye typer nanofibre, der er blevet syntetiseret af hendes team ved hjælp af elementer som bor.

Teammedlem Dr. Apparao Rao, professor i fysik ved Clemson University, har allerede produceret superledende nanorør ved en proces kaldet pulserende laserablation. Processen resulterer i, at kulnanorør "dopes" med bor, der superleder ved højere temperaturer end andre carbonbaserede materialer - men stadig ved relativt lave temperaturer.

Dr. Myron Salamon, dekan for Institut for Naturvidenskab og Matematik, vil evaluere teamets nye superledere for at teste den maksimale temperatur for superledning som en funktion af strøm og transmitteret effekt, hvilket er en afgørende faktor for brug af disse materialer i elsystemer.

”Der har altid været en fornemmelse af, at vi kan forbedre superledningen ved at bruge lettere materialer, ”Sagde Salamon. "Ledninger fremstillet af ultralette nanorør kan tillade atomer at vibrere let, hvilket hjælper med superledning. Der er gode tegn på, at kulstofbaserede materialer, ligesom dopningsmodificerede carbon nanorør, kan lave gode superledere. ”

Fem forskningsstipendier blev tildelt for at anspore udviklingen af ​​praktiske højtemperatur -superledere. Tilskuddene administreres gennem AFOSR af projektleder Dr. Harold Weinstock, som har hjulpet med at foregå og støtte mange andre vigtige opdagelser inden for fysik. Ifølge Zakhidov, andre universiteter i det samarbejdende superlederløb omfatter University of Houston, University of Maryland, University of California, San Diego og Stanford University.

Leveret af UT Dallas