27.05.2020
PL EN
18.04.2020 aktualizacja 18.04.2020

IFJ PAN: Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej? Dzięki gęsto rozmieszczonym atomom wodoru

Źródło: ORNL / Jill Hemman Źródło: ORNL / Jill Hemman

Międzynarodowy zespół naukowców odkrył, że atomy wodoru w wodorkach metalu są dużo gęściej upakowane, niż uważano. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do panujących w warunkach pokojowych - informują fizycy z Krakowa.

“Tego rodzaju materiał nadprzewodzący, służący do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją, mógłby zrewolucjonizować efektywność energetyczną w szerokim zakresie zastosowań” - komentują przedstawiciele Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w przesłanym PAP komunikacie.

W amerykańskim Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL) naukowcy przeprowadzili eksperymenty rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym pod ciśnieniem atmosferycznym w zakresie temperatur sięgających od –268 stopni Celsjusza (5 K) do –23 stopni Celsjusza (250 K), czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu. Wyniki pomiarów w żaden sposób nie zgadzały się z istniejącymi modelami.

Wizualizacja struktury atomowej wodorku cyrkonowo-wanadowego w warunkach zbliżonych do pokojowych. Została ona wyznaczona za pomocą neutronowej spektroskopii wibracyjnej i superkomputera Titan znajdującego się w Oak Ridge National Laboratory w USA. Sieć krystaliczna składa się z atomów wanadu (kolor złoty) i atomów cyrkonu (kolor biały) otaczających atomy wodoru (kolor czerwony). Trzy atomy wodoru połączone sprężyną oddziałują ze sobą na zaskakująco małych odległościach rzędu 1,6 angstrema. Tak bliskie odległości między atomami pozwalają upakować znacznie więcej wodoru w materiale, skutkiem czego można spodziewać się pojawienia nadprzewodnictwa. (Źródło: ORNL / Jill Hemman)

Wizualizacja struktury atomowej wodorku cyrkonowo-wanadowego w warunkach zbliżonych do pokojowych. Została ona wyznaczona za pomocą neutronowej spektroskopii wibracyjnej i superkomputera Titan znajdującego się w Oak Ridge National Laboratory w USA. Sieć krystaliczna składa się z atomów wanadu (kolor złoty) i atomów cyrkonu (kolor biały) otaczających atomy wodoru (kolor czerwony). Trzy atomy wodoru połączone sprężyną oddziałują ze sobą na zaskakująco małych odległościach rzędu 1,6 angstrema. Tak bliskie odległości między atomami pozwalają upakować znacznie więcej
wodoru w materiale, skutkiem czego można spodziewać się pojawienia nadprzewodnictwa. (Źródło: ORNL / Jill Hemman)

 

Prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN, jeden z członków międzynarodowego zespołu badawczego, zaproponował nowy model tego wodorku. Model ten, poddany obliczeniom na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, pozwolił w prosty sposób wyjaśnić obserwacje eksperymentalne. Okazało się, że odległości pomiędzy atomami wodoru w badanym materiale wynoszą 1,6 angstrema, podczas gdy dotychczas ugruntowane przewidywania dla tych związków wyznaczały tę odległość na poziomie co najmniej 2,1 angstrema.

Odkrycia międzynarodowego zespołu badaczy ze szwajcarskiego Laboratorium Badania Materiałów i Technologii EMPA, Uniwersytetu w Zurychu, Uniwersytetu Illinois w Chicago ORNL oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie PNAS. https://www.pnas.org/content/117/8/4021/tab-article-info

Uzyskana struktura atomowa posiada niezwykle obiecujące właściwości, ponieważ wodór znajdujący się w metalach wpływa na ich właściwości elektronowe. Inne materiały o podobnym upakowaniu atomów wodoru przechodzą w stan nadprzewodnictwa, ale tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach.

Na przykład niedawno odkryty dekahydrat lantanu osiąga stan nadprzewodnictwa w temperaturze około –13 stopni Celsjusza, tyle że pod ciśnieniem 150 tysięcy MPa, czyli prawie półtora miliona razy wyższym, niż ciśnienie atmosferyczne. Tak wysokie ciśnienie potrzebne jest, by zbliżyć do siebie atomy wodoru na odległość mniejszą niż 2 angstremy. “Nam udało się pokazać, że wodór można upakować w taki sposób również pod ciśnieniem atmosferycznym” - mówi prof. Łodziana.

Co ciekawe – od ponad 40 lat panowało przekonanie, iż nie jest to możliwe, dlatego materiały badano pod wysokimi ciśnieniami. Znalezienie substancji, która jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym, najprawdopodobniej pozwoli inżynierom wykorzystać go do projektowania powszechnie stosowanych systemów i urządzeń elektrycznych, jak na przykład tomografów rezonansu magnetycznego.

“Mamy nadzieję, że tani i stabilny stop w rodzaju wodorku cyrkonowo-wanadowego można będzie łatwo zmodyfikować w taki sposób, aby uzyskać nadprzewodzący materiał” – wyjaśnia prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN.

W kolejnych doświadczeniach naukowcy planują wzbogacić wodorek cyrkonowo-wanadowy większą ilością wodoru pod różnymi ciśnieniami, aby ocenić potencjalne nadprzewodnictwo badanego materiału.

Czy zatem znajdujemy się u progu technologicznej rewolucji polegającej na znalezieniu materiału wykazującego właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej? “Tego nie wiem, ale z pewnością udało nam się poczynić istotny krok w tym kierunku” – przekonuje prof. Łodziana.

Badania były częściowo finansowane w ramach projektu NCBiR.

Cały komunikat dostępny na stronie IFJ PAN: https://press.ifj.edu.pl/news/2020/04/16/

PAP - Nauka w Polsce

lt/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2020