При какой температуре нанотрубки превращаются в сверхпроводники, знают ученые вуза

10:00, 20 декабря 2017

Сверхпроводимость используется в поездах на магнитной подушке и линиях электропередач

Модель процесса синтеза углеродных цепочек. Фото: Евгений Бунтов (соавтор исследования)

Ученые университета совместно с коллегами с физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова впервые установили температуру, при которой одностенные углеродные нанотрубки становятся сверхпроводниками, а также нашли способ сделать эту температуру выше. Это открывает перспективы нового применения сверхпроводящих материалов. Исследование выполнено в лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ. Работа опубликована в научном журнале Carbon.

«Сверхпроводимость при комнатной температуре — мечта человечества, — отмечает доктор Чи Хо Вонг, постдок Уральского федерального университета и соавтор работы. — Например, представьте, что ваш мобильный телефон больше не нужно дозаряжать и ток сможет бежать без потерь почти вечно».

Сверхпроводимость — основа высоких технологий. Материалы со способностью проводить электрический ток абсолютно без потерь благодаря полному отсутствию электрического сопротивления используются в циклотронах, поездах на магнитной подушке, линиях электропередач, сверхчувствительных магнитометрах (приборах для измерения магнитного поля Земли). Однако основная проблема сверхпроводимости состоит в том, что она проявляется в материалах при температуре, которая лишь немного выше абсолютного нуля (-273°C). Сверхпроводимость в условиях ближе к −200°C уже считается достижением. Рекорд поставил замороженный под колоссальным давлением сероводород, который становится сверхпроводником при −70°C.

Способность углерода образовывать плоские листы графена толщиной в один атом (так выглядят отдельные «слои» графита) давно привлекает внимание ученых. Если представить, что такой однослойный лист скручен в трубочку, мы получим новую интересную структуру — одностенную углеродную нанотрубку (ОУНТ). Такие структуры очень прочны на разрыв, необычным образом преломляют свет и могут использоваться во множестве областей — от электроники до биомедицины. В стенки таких нанотрубок можно помещать различные атомы, которые будут изменять их свойства, в том числе проводимость. Она может зависеть от того, как ориентированы шестиугольники, которые составляют слой углерода, чем наполнена трубка, какие дополнительные атомы других элементов вставлены в ее структуру или присоединены снаружи.

Одностенные углеродные нанотрубки активно изучаются как перспективные сверхпроводники. Но они имеют диаметр всего четыре ангстрема (ангстрем — десятая доля нанометра), то есть близки к одномерным материалам. В них при температурах вблизи абсолютного нуля образуются пары электронов, называемые куперовскими. Тонкие одномерные структуры препятствуют прохождению куперовских пар и сверхпроводимость не наблюдается.

«Нами была поставлена задача изменить одномерную структуру с целью повышения температуры сверхпроводящего перехода», — комментирует Анатолий Зацепин, руководитель научно-исследовательской лаборатории физико-технологического института УрФУ. — Оказалось, что если укладывать ОУНТ в стопки, то куперовские пары стабилизируются и можно получить сверхпроводник».

Однако сверхпроводимость даже у таких стопок возникает при достаточно низкой температуре — всего на 15 градусов выше абсолютного нуля. Физики нашли решение этой проблемы. Они добавили внутрь одностенных углеродных нанотрубок «провод» из цепочки атомов углерода толщиной всего в один атом. Эта цепочка сама по себе не образовывает связей с атомами в составе трубки, но при этом трубка меняет геометрию, сжимаясь и изгибаясь.

Когда ученые УрФУ изменили форму внутренней углеродной цепочки с прямой на зигзагообразную, им удалось поднять температуру перехода в состояние сверхпроводимости на 45 градусов. Чтобы добиться наилучшего эффекта, углы этих зигзагов рассчитали математически, и эти предсказания оказались верными.

«Никто в мире не мог успешно рассчитать температуру сверхпроводимости одностенной углеродной нанотрубки с 2001 года, — поясняет доктор Чи Хо Вонг. — Но нам это удалось сделать в 2017 году. Мы вставили углеродную цепочку внутрь углеродной нанотрубки для того, чтобы понять, как это влияет на сверхпроводимость».