Atomy wodoru w wodorkach metalu są znacznie gęściej upakowane niż dotychczas sądzono. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do panujących w warunkach pokojowych. Co to oznacza? Taki materiał ma potencjał do zrewolucjonizowania energetyki. Można by go wykorzystać do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją.

Źródło: Instytut Nauki i Technologii Skolkovo

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 „Proceedings of National Academy of Sciences”.

 

Przełomowy eksperyment

To, że atomy wodoru w wodorkach metalu są dużo gęściej upakowane naukowcy dostrzegli podczas eksperymentu w należącym do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL). Uczeni prowadzili tam doświadczenia z rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym pod ciśnieniem atmosferycznym w zakresie temperatur sięgających od minus 268 stopni Celsjusza (5 K) do minus 23 stopni Celsjusza (250 K) – czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu.

Rezultaty eksperymentu nie zgadzały się z istniejącymi modelami. Wtedy jeden z członków grupy badawczej, prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, zaproponował nowy model tego wodorku. Obliczenia 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 (160 pm), podczas gdy dotychczas ugruntowane przewidywania dla tych związków wyznaczały tę odległość na poziomie co najmniej 2,1 angstrema.

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 minus 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. Co ciekawe – od ponad 40 lat panowało przekonanie, iż nie jest to możliwe, stąd badano materiały pod wysokimi ciśnieniami. Znalezienie substancji, która jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem 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 cytowany w komunikacie na stronach internetowych IFJ PAN.

Wizualizacja struktury atomowej wodorku cyrkonowo-wanadowego w warunkach zbliżonych do pokojowych

Nowy model

„Badacze przeanalizowali oddziaływania atomów wodoru w dobrze poznanym wodorku metalu za pomocą wysokiej rozdzielczości wibracyjnej spektroskopii nieelastycznego rozpraszania neutronów wiązki VISION, pochodzącej ze spalacyjnego źródła neutronów laboratorium Oak Ridge w Stanach Zjednoczonych. Uzyskany sygnał widmowy, w tym znaczący wzrost intensywności przy energii około 50 milielektronowoltów, nie zgadzał się z przewidywaniami poczynionymi w ramach istniejących modeli teoretycznych” – czytamy dalej w komunikacie.

Pomógł zaproponowany przez prof. Łodzianę model służący do opracowania strategii analizy danych. Symulacje komputerowe oraz dodatkowe eksperymenty wykazały, że obserwowana struktura widmowa występuje, gdy odległości między atomami wodoru są mniejsze niż 2 angstremy. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano podobnego zjawiska w wodorkach metalu dla ciśnień i temperatur charakterystycznych dla warunków pokojowych.

„Odkrycia zespołu stanowią więc pierwszy znany wyjątek od kryterium Switendicka w stopie bimetalicznym – czyli zasady obowiązującej dla stabilnych wodorków w warunkach standardowych, która mówi o tym, że odstęp między atomami wodoru nie może być mniejszy niż 2,1 angstrema” – czytamy w komunikacie na stronach IFJ PAN.

 

Superkomputer Titan

Potrzebnych w badaniach obliczeń dokonano na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie – komputerze Titan. Sprzęt ten działa z prędkością dochodzącą do 27 petaflopów (czyli 27 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). To czyni Titana jednym z najszybszych obecnie komputerów na świecie.

Jak przyznał prof. Łodziana, wykonanie obliczeń na domowym komputerze zajęłoby około 20 lat. Na superkomputerze Prometheus – najszybszym polskim superkomputerze znajdującym się w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie – obliczenia te trwałyby około 3-5 miesięcy. Ale Titan poradził sobie z nimi w niespełna tydzień.

Czy 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.

 

 

Źródło: IFJ PAN, https://phys.org/news/2020-04-scientists-superconducting-metal-hydrides.html

 

0 0 vote
Article Rating