ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Κυριακή 26 Ιούνη 2005
Σελ. /24
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΧΑΜΗΛΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ
Αλμα μετά από δεκαετίες στασιμότητας

Η γυαλισμένη διατομή ενός σύρματος βοριούχου μαγνησίου δείχνει ότι δεν υπάρχουν διάκενα και ότι το σύρμα αποτελείται από μικρούς, μη προσανατολισμένους κόκκους, που ανακλούν το φως διαφορετικά, με αποτέλεσμα την εμφάνιση διαφορετικών χρωμάτων. Σύρματα σαν αυτό, διαμέτρου 0,14 χιλιοστών, είναι χρήσιμα για τη βασική έρευνα, σχετικά με την υπεραγωγιμότητα του υλικού
Η γυαλισμένη διατομή ενός σύρματος βοριούχου μαγνησίου δείχνει ότι δεν υπάρχουν διάκενα και ότι το σύρμα αποτελείται από μικρούς, μη προσανατολισμένους κόκκους, που ανακλούν το φως διαφορετικά, με αποτέλεσμα την εμφάνιση διαφορετικών χρωμάτων. Σύρματα σαν αυτό, διαμέτρου 0,14 χιλιοστών, είναι χρήσιμα για τη βασική έρευνα, σχετικά με την υπεραγωγιμότητα του υλικού
Μια αίσθηση μεγάλου ενθουσιασμού κατέλαβε την κοινότητα των φυσικών στερεάς κατάστασης τις πρώτες βδομάδες του 2001, όταν ανακοινώθηκε από ομάδα συναδέλφων τους η ανακάλυψη ότι το βοριούχο μαγνήσιο (MgB2) εμφανίζει υπεραγωγιμότητα (άγει το ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση, άρα και απώλειες) σε θερμοκρασίες κοντά στους 40 βαθμούς Κέλβιν (-233 βαθμούς Κελσίου).

Αυτή η απλή χημική ουσία είχε μελετηθεί από τη δεκαετία του 1950 και βρισκόταν στα ράφια αρκετών εργαστηρίων για πεζές και ασήμαντες χρήσεις. Κανένας δεν υποψιαζόταν το κρυφό της ταλέντο... Αν και οι 40o K, ακούγονται σαν μάλλον αρκετά χαμηλή θερμοκρασία για να πανηγυρίζει κανείς, είναι διπλάσια του ρεκόρ των ενώσεων μετάλλων, που κατείχαν έως τότε τα κράματα νιοβίου με 23o K. Η θερμοκρασία μετάπτωσης του βοριούχου μαγνησίου στην υπεραγώγιμη κατάσταση μπορεί να επιτευχθεί με τεχνολογίες, που κοστίζουν πολύ λιγότερο από εκείνες που χρειάζονται για τη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας των κραμάτων νιοβίου. Οι εφαρμογές πολλές, με κυριότερες τους πανίσχυρους υπεραγώγιμους μαγνήτες και τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες σε μεγάλες αποστάσεις.

Σε αντίθεση με τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας (οξείδια του χαλκού που επιδεικνύουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες μέχρι 130o K), το βοριούχο μαγνήσιο είναι παραδοσιακός υπεραγωγός, αν και πρόκειται για καινούρια παραλλαγή. Δυστυχώς, τα οξείδια του χαλκού είναι δύσκολο να παρασκευαστούν σε καθαρή και ακόμα περισσότερο σε μονοκρυσταλλική μορφή. Επιπλέον, δεν μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα σύρματα απ' αυτά γιατί οι κόκκοι που τα απαρτίζουν πρέπει να στοιχηθούν όλοι προς την ίδια κατεύθυνση, ώστε να εμφανιστεί υπεραγωγιμότητα.

Σύρματα κατασκευάστηκαν με την αντίδραση ατμών μαγνησίου με νήματα βορίου
Σύρματα κατασκευάστηκαν με την αντίδραση ατμών μαγνησίου με νήματα βορίου
Ο πρώτος μεταλλικός υπεραγωγός (υδράργυρος) ανακαλύφθηκε το 1911. Η θερμοκρασία μετάπτωσής του είναι 4,2o K, δηλαδή η θερμοκρασία του υγρού ηλίου. Στη διάρκεια πολλών δεκαετιών αναζήτησης για διαμεταλλικούς υπεραγωγούς με όλο και ψηλότερη θερμοκρασία μετάπτωσης, οι επιστήμονες κατέληξαν σε κάποιους κανόνες σχετικά με τους συνδυασμούς των χημικών στοιχείων που έπρεπε να δοκιμάσουν. Επιπρόσθετα, πολλοί θεωρούσαν ότι οι 23o K είναι η υψηλότερη θερμοκρασία, που μπορεί να γίνει η μετάπτωση στους παραδοσιακούς υπεραγωγούς. Προς μεγάλη τους έκπληξη, το MgB2 έσπασε το φράγμα.

Η ταχύτητα, με την οποία εξελίχτηκε η κατανόηση του βοριούχου μαγνησίου ήταν καταπληκτική. Μέσα σε δύο μήνες από την ανακοίνωση των Ιαπώνων φυσικών που ανακάλυψαν την υπεραγώγιμη ιδιότητά του, είχαν γίνει 100 σύντομες ομιλίες γύρω από το θέμα και είχαν σταλεί 70 σχετικές εργασίες για δημοσίευση. Οι λόγοι αυτής της έξαρσης είναι δύο: Καταρχήν είναι σχετικά απλό να παρασκευάσει κανείς καθαρό βοριούχο μαγνήσιο. Κατά δεύτερο λόγο, το 2001 η διεθνής κοινότητα των φυσικών ήταν πολύ περισσότερο διασυνδεδεμένη μέσω του Ιντερνετ από ποτέ. Αυτά τα δύο στοιχεία, μαζί με την ελπίδα για έναν νέο, απλό υπεραγωγό με σχετικά υψηλή θερμοκρασία μετάπτωσης, τροφοδότησαν την έκρηξη της ερευνητικής προσπάθειας.

Η εγκάρσια διατομή ενός σπασμένου σύρματος βοριούχου μαγνησίου, αποκαλύπτει κεντρικό πυρήνα διαμέτρου 0,015 χιλιοστών, αποτελούμενου από βοριούχο βολφράμιο
Η εγκάρσια διατομή ενός σπασμένου σύρματος βοριούχου μαγνησίου, αποκαλύπτει κεντρικό πυρήνα διαμέτρου 0,015 χιλιοστών, αποτελούμενου από βοριούχο βολφράμιο
Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας του βοριούχου μαγνησίου είναι ταυτόχρονα το αποτέλεσμα δεκαετιών εστιασμένης έρευνας, αλλά και μια έντονη υπενθύμιση ότι η φύση δεν ακολουθεί πάντοτε λεπτομερώς τους χονδροειδείς κανόνες που διατυπώνουμε στην προσπάθειά μας να την περιγράψουμε. Αν και η ουσία αυτή ήταν γνωστή επί μισό αιώνα, δε δοκιμάστηκε ποτέ για υπεραγωγιμότητα, επειδή δεν ταίριαζε με το πρότυπο ενός πιθανού διαμεταλλικού υπεραγωγού.

Σήμερα, έχουμε μια ξεκάθαρη ιδέα των φυσικών ιδιοτήτων του καθαρού MgB2 και μαθαίνουμε πώς να τροποποιούμε το υλικό αυτό, ώστε να βελτιώνουμε το φάσμα τιμών μαγνητικού πεδίου και πυκνότητας ηλεκτρικού ρεύματος στο οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Ετσι, το βοριούχο μαγνήσιο μπορεί να γίνει υπεραγώγιμο σε θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται με υγρό υδρογόνο, ή υγρό νέον, ή ακόμα και με ιδιαίτερα ισχυρά ψυγεία κλειστού κυκλώματος. Εχουν κατασκευαστεί πρωτότυπα σύρματα και μαγνήτες, αλλά απαιτείται κι άλλη δουλιά για να βελτιστοποιηθούν οι ιδιότητες του υπεραγωγού και να κατανοηθεί η μεταλλουργία του.

Τα σύρματα κατασκευάζονται με προσρόφηση ατμών μαγνησίου σε νήμα βορίου, διαδικασία κατά την οποία το βόριο (που τώρα γίνεται βοριούχο μαγνήσιο) διογκώνεται σε πολλαπλάσιο από τον αρχικό όγκο. Μια άλλη τεχνική είναι με τοποθέτηση σκόνης μαγνησίου και βορίου σε ένα σωλήνα, μέσα στον οποίο αντιδρούν και η ένωσή τους τραβιέται συνεχώς έξω από το σωλήνα, σχηματίζοντας σύρμα. Για τη χρήση των καλωδίων βοριούχου μαγνησίου στην πράξη, χρειάζεται επίσης να βρεθεί κατάλληλος τρόπος επένδυσης των συρμάτων με μη υπεραγώγιμο υλικό, μέσα από το οποίο θα ρέουν τα ηλεκτρικά φορτία, στην περίπτωση που, λόγω ανόδου της θερμοκρασίας, πάψει η υπεραγωγιμότητα του βοριούχου μαγνησίου.

Μετά την ανακάλυψη του πρώτου υπεραγωγού βασισμένου σε οξείδια του χαλκού, οι ερευνητές βρήκαν πλειάδα άλλων υπεραγώγιμων οξειδίων του χαλκού. Ωστόσο, τέσσερα χρόνια μετά την ανακάλυψη του βοριούχου μαγνησίου, καμιά άλλη συναφής ένωση δεν έχει βρεθεί, που να έχει ασυνήθιστα υψηλή θερμοκρασία μετάπτωσης. Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας στα οξείδια ήταν ανάλογη με την ανακάλυψη μιας καινούριας ηπείρου, ενώ η ανακάλυψη του βοριούχου μαγνησίου ήταν περισσότερο σαν την ανακάλυψη ενός άγνωστου μέχρι τότε νησιού, σε ένα καλά εξερευνημένο αρχιπέλαγος. Δεν είναι γνωστό, αν πρόκειται για τον τελευταίο κρίκο της αλυσίδας, ή αν μας περιμένει μια νέα έκπληξη σε κάποιο άλλο σημείο.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»



Ο καθημερινός ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ 1 ευρώ