Novo znanstveno otkriće moglo bi promijeniti sve u vezi sa strujom

ZNANSTVENICI sa Sveučilišta u Rochesteru u New Yorku objavili su nedavno u uglednom časopisu Nature da su razvili supervodič, odnosno supravodič koji vodi električnu struju bez otpora na sobnoj temperaturi, i to pri relativno niskom tlaku, što je već desetljećima san mnogih znanstvenika.

Ako se ovo otkriće potvrdi u neovisnim istraživanjima u drugim laboratorijima, moglo bi postati temelj za veliku revoluciju u brojnim tehnologijama za koje je važna električna energija od mobitela do magnetnih vlakova. Supervodič koji radi u takvim relativno uobičajenim uvjetima mogao bi navijestiti novo doba visokoučinkovitih strojeva, superosjetljivih instrumenata i revolucionarne elektronike.

Što je supravodljivost?

Supravodljivost ili supervodljivost svojstvo je nekih materijala da provode električnu struju bez gubitka energije, odnosno bez otpora. To znači da se elektroni u supravodičima mogu slobodno kretati bez sudaranja s drugim elektronima ili s vibracijama kristalnih rešetki i nečistoćama, koje uobičajeno stvaraju otpor.

Mnogi materijali postaju supravodljivi pri vrlo niskim temperaturama koje se približavaju apsolutnoj nuli, obično ispod -200°C, što se naziva kritičnom temperaturom. Supravodljivost se također može postići na golemim tlakovima koji se mjere u stotinama gigapaskala (GPa). Na primjer, supravodljivost na sobnoj temperaturi postignuta je na 267 GPa, što je više od 2400 puta više od tlaka na dnu Marijanske brazde, najdublje točke u oceanima.

Supravodljivost je 1911. otkrio Heike Kamerlingh Onnes dok je proučavao ovisnost električnoga otpora žive o temperaturi. Primijetio je da taj otpor postaje nemjerljiv na temperaturama nižim od -269 °C. Za to otkriće dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1913.

Jedno od zanimljivih svojstava supervodiča je da struja u njima može nastaviti teći godinama nakon što se isključi izvor struje. Primjerice, Onnes je 1911. u prstenu od žive, čiju je temperaturu pomoću tekućeg helija održavao na nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule, proizveo električnu struju koja je nakon isključenja izvora tekla još dvije godine. Nastavila bi i dalje teći da nije bilo štrajka u isporuci tekućeg helija.

Dobri vodiči nisu dobri supravodiči

Svojstvo supravodljivosti do danas je otkriveno u brojnim metalima i legurama. No zanimljivo je da one tvari koje su na običnoj temperaturi najbolji električni vodiči poput zlata, platine, bakra i srebra, zbog određenih fizikalnih svojstava nisu dobri supravodiči.

Supravodljivost ima mnoge praktične primjene, što uključuje uređaje za magnete za medicinsku dijagnostiku, kao što je magnetska rezonanca, magnete za fuzijske reaktore, za detektore u CERN-u, za lebdeće magnetske vlakove tzv. 'maglev vlakove', za proizvodnju i prijenos energije bez gubitaka itd.

Supravodljivost na sobnoj temperaturi na relativno malom tlaku

Kao što smo već naveli, jedan od svetih gralova fizike je da se supravodljivost uspije postići na sobnoj temperaturi, a drugi da ona bude ostvarena na relativno niskim tlakovima. Naime, vrlo niske temperature i vrlo visoke tlakove teško je ostvariti u praktičnoj primjeni u svakodnevnom životu.

U eksperimentima predstavljenim u Natureu nova legura postala je supravodljiva na oko 21°C. Za ostvarenje ovog svojstva i dalje je bio potreban visok tlak od oko 10 kilobara, što je oko 10.000 puta više od pritiska Zemljine atmosfere. No, to je još uvijek mnogo manje od milijuna atmosfera koji su obično potrebni da bi supravodiči radili na temperaturama blizu sobnih.

U istraživanju je za postizanje visokog tlaka u leguri korištena dijamantna preša, visokotlačni uređaj koji se koristi u eksperimentima u geologiji, inženjerstvu i znanosti o materijalima. No stručnjaci ističu da bi se tlak mogao postizati tehnikom koja je poznata kao inženjering naprezanja. U tom procesu znanstvenici 'uzgajaju' materijal na površini koja ograničava rast te ga tako opterećuju, čime se replicira učinak vanjskog pritiska.

Zanimljivo je da je nova legura promijenila boju kada se pod tlakom pretvorila u supravodič (video dolje).

Magična supravodljiva legura

Novi supravodič je vodikom bogata legura koja spada u tzv. hidride. Znanstvenici smatraju da bi čisti vodik trebao biti supravodič na sobnoj temperaturi, no samo na ekstremno visokim pritiscima što bi otežalo njegovu praktičnu primjenu. Kako bi smanjili potreban tlak, znanstvenici vodiku dodaju razne druge elemente čime nastaju hidridni supravodiči.

Materijal u kojem su fizičari postigli opisanu supravodljivost sastoji se od mješavine metala lutecija, vodika i dušika. Lutecij je kemijski element sa simbolom Lu i atomskim brojem 71. Posljednji je element u nizu lantanida i tradicionalno se ubraja među tzv. rijetke zemne elemente. Naziv su dobili jer su prvo bili izolirani u Engleskoj kao oksidirani minerali, a u to vrijeme, u drugoj polovici 18. stoljeća, engleska riječ za "mineral" bila je "earth" (zemlja).

Lutecija ima više nego srebra, no vrlo ga je teško odvojiti od drugih elemenata. Glavna rudarska područja u kojima se nalazi su Kina, SAD, Brazil, Indija, Šri Lanka i Australija. Cijena mu je oko 10.000 američkih dolara po kilogramu, što je oko četvrtine cijene zlata.

Prvi supravodič na višim temperaturama sintetiziran u Zagrebu

Fizičar Emil Tafra, profesor na PMF-u u Zagrebu kaže da je supravodljivost od svojeg otkrića prije više od stoljeća, dugi niz godina bila ostvariva isključivo na vrlo niskim temperaturama, nižim od -250° C.

"Prvi veliki prodor prema višim temperaturama, dogodio se krajem osamdesetih godina prošlog stoljeća, otkrićem tzv. visokotemperaturnih supravodljivih keramika, čime je supravodljivost postala moguća na temperaturama bliskim temperaturi tekućeg dušika oko -196 stupnjeva° C", kaže Tafra.

"No ni do današnjeg dana nije došlo do šire primjene tih 'visokotemperaturnih' supravodiča, prvenstveno zbog njihovih mehaničkih svojstava, koja su slična keramikama, a ne metalima od kojih je lako praviti žice i slične oblike, dok od keramika nije. Inače, zanimljivo je istaknuti da je prvi članak o jednom od najpoznatijih supravodiča iz te skupine, koji je sastavljen od itrija, barija, bakra i kisika, objavljen 2. ožujka 1987. godine, a u Zagrebu je taj spoj prvi put sintetiziran i mjeren otprilike tjedan dana kasnije", kaže naš sugovornik.

"Noviji značajan prodor supravodljivosti prema višim temperaturama počinje od 2015. u spojevima baziranim na vodiku. U tim istraživanjima opažena je supravodljivost blizu sobne temperature, ali pri nevjerojatnim tlakovima koji iznose stotine GPa, zbog čega oni ne mogu imati primjenu u svakodnevnom životu. Treba imati na umu da će čak i ako se novo otkriće potvrdi, njegova eventualna primjena još uvijek biti jako daleko", tumači Tafra.

Oprez oko rezultata studije

Kako smo naveli na početku, ove rezultate trebat će potvrditi drugi znanstvenici u svojim laboratorijima. Oprez je osobito izražen jer je isti tim prof. Ranga Diasa sa Sveučilišta Rochester 2020. objavio jedan rad u Natureu na sličnu temu koji je kasnije bio povučen.

Naime, Dias i njegov tim tvrdili su da su otkrili supravodljivost u spoju ugljika, sumpora i vodika na 15°C. Urednici časopisa Nature povukli su taj rad, unatoč prigovoru Diasa i njegovih koautora, navodeći nepravilnosti u obradi podataka koje su potkopale povjerenje urednika.

Na temelju te povijesti nekoliko stručnjaka izrazilo je nepovjerenje u nove rezultate Diasove grupe. "Ne samo da je prethodni rezultat bio povučen, već ga drugi istraživači nisu uspjeli reproducirati", upozorio je fizičar Mikhail Eremets s Max Planck instituta za kemiju u Mainzu u Njemačkoj.

"Glavni test valjanosti - ponovljivost – nije prošao, a s moje točke gledišta, to je najvažnija stvar", dodao je. Fizičar Eugene Gregoryanz sa Sveučilišta u Edinburghu kaže da je to otkriće, ako je istinito, uistinu veliko.

"Je li to istina ili ne, valjda će vrijeme pokazati", istaknuo je. Postoje i stručnjaci koji su nešto manje nepovjerljivi. Oni smatraju da je teško za vjerovati da bi si Dias i njegovi kolege mogli priuštiti još jedno povlačenje jer bi ono za njihovu karijeru moglo biti pogubno.

Novo otkriće bit će izuzetno važno ako ga potvrde druge skupine istraživača 

Konačno, Diasov tim unio je određene ispravke i nadopune u raniji, povučeni rad i objavio ga u bazi arXiv.org uz inzistiranje da supravodljivost uistinu funkcionira kako je bilo opisano radu u Natureu.

Tafra kaže da će novo otkriće biti vrlo značajno, ako ga potvrde druge, neovisne istraživačke grupe.

"Vjerujemo da je ovaj put časopis Nature primijenio još stroži proces recenzije članka, koja je trajala od travnja prošle godine do siječnja ove godine", zaključio je naš fizičar.