Lại phụ thuộc vào Nga. Các nhà khoa học chỉ ra kim loại của tương lai
© Sputnik / Pavel Lisitsyn
/ Đăng ký
Theo các nhà nghiên cứu, một thế hệ chất siêu dẫn mới rất cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp công nghệ cao sẽ dựa trên các hợp kim paladi. Điều này có lợi cho Nga - quốc gia có trữ lượng lớn thứ kim loại cực kỳ quý hiếm này và đắt nhất thế giới, cũng như gần một nửa sản lượng của nó.
Điện trở bằng không
Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra rằng, điện trở của thủy ngân rắn khi được làm lạnh trong helium lỏng đến 4,1 độ Kelvin (âm 269 độ C) đột nhiên biến mất ở nhiệt độ gần với độ không tuyệt đối. Đây là trường hợp siêu dẫn đầu tiên được ghi nhận chính thức.
Ngay sau đó, một số chất siêu dẫn khác đã được phát hiện. Nhiệt độ chuyển tiếp (Tc) cực kỳ thấp của tất cả các chất này gần với độ không tuyệt đối.
Năm 1986, Karl Müller và Georg Bednorz, hai nhân viên của Phòng thí nghiệm của Tập đoàn IBM, đã phát hiện một vật liệu có Tc là 30 độ Kelvin - lanthanum barium copper oxide (oxide đồng bari lanthan). Năm 1987, Bednorz và Müller đoạt chung giải Nobel Vật lý cho công trình đột phá quan trọng của họ trong việc phát hiện ra tính siêu dẫn trong vật liệu gốm.
Cuộc chạy đua trong vật lý hiện đại
Trong công nghiệp, các thiết bị và dây điện được làm mát bằng nitơ lỏng sôi ở nhiệt độ 77 K. Chất siêu dẫn có Tc cao hơn giá trị này được gọi là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (high temperature superconductor - HTS).
Vào những năm 1990, các nhà khoa học đã tìm ra một số hợp chất từ nhóm cuprate có Tc 130-150 độ Kelvin. Nổi tiếng nhất là bismuth strontium calcium copper oxide (BSCCO) hay theo cách gọi của các nhà vật lý là "bisco".
Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đang được sử dụng trong các hệ thống truyền tải điện năng không dây, tàu cao tốc dùng nguồn không dây, nam châm siêu mạnh cho máy gia tốc và lò phản ứng nhiệt hạch, vi mạch siêu hiệu quả, thiết bị chẩn đoán y tế cực kỳ chính xác, động cơ cho tàu vũ trụ liên hành tinh. Ví dụ, trên Máy gia tốc hạt lớn ở CERN hàng chục km dây dẫn được tạo ra từ BSCCO.
Cuộc chạy đua cho các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đang sôi động hơn bao giờ hết. Nếu các nhà khoa học tìm được các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng với áp suất thông thường thì điều đó có thể thay đổi hoàn toàn ngành công nghệ kỹ thuật năng lượng. Tuy nhiên, chưa có hợp chất nào như vậy được tìm thấy.
Cuprate, nickelate
Cuprate là các hợp chất phức tạp dựa trên các oxit đồng. Trong điều kiện bình thường, cuprate hầu như không dẫn điện, đây là chất cách điện.
Các hợp chất cuprate được tách ra trong một nhóm "kim loại lạ" hoặc semimetal - chất bán kim loại siêu dẫn. Theo các nhà khoa học, các nguyên tắc lượng tử phải được áp dụng để mô tả hành vi của các electron trong cuprate; một số nhà nghiên cứu thậm chí còn coi cuprate là một trạng thái đặc biệt của vật chất.
Năm 2020, các nhà vật lý tại Đại học Cornell và Viện nghiên cứu Flatiron ở New York đã sử dụng điện toán lượng tử để xây dựng một mô hình kỹ thuật số về "kim loại lạ". Mô hình này cho thấy rằng, cuprate là sự giao thoa giữa kim loại cổ điển với các electron di động và chất điện môi, trong đó các electron chiếm vị trí cố định.
Năm 1999, nhà khoa học người Nga Vladimir Anisimov và các đồng nghiệp của ông dự đoán rằng, nickelate - hợp chất phức tạp dựa trên oxit niken - cũng có thể có tính siêu dẫn nhiệt độ cao. Thật vậy, sau đó một số chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa niken đã được phát hiện.
Thậm chí đã có lúc người ta bàn tán về việc bước vào kỷ nguyên của chất siêu dẫn niken. Nhưng ở đây có một số vấn đề. Vấn đề đầu tiên: thu được niken là một quá trình cực kỳ phức tạp. Thứ hai, các hợp chất này, mặc dù có đặc tính giống với kim loại, nhưng lại kém ổn định hơn so với cuprate. Điều này là do các electron niken có trạng thái năng lượng cao hơn so với trạng thái năng lượng của đồng, vì vậy chúng tích cực tham gia vào các tương tác khác nhau.
Kỷ nguyên của Palladium
Trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao tối ưu, các electron phải tương tác với nhau mạnh hơn so với trong cuprate, nhưng yếu hơn so với nickelate. Các nhà vật lý từ Nhật Bản và Áo đã chỉ ra các hợp chất palladium được gọi là palladiate.
Trong một thông cáo báo chí, nhà khoa học Karsten Held, trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Chất rắn thuộc Trường Đại học Công nghệ Vienna, cho biết: "Palladium thấp hơn niken một bậc trong bảng tuần hoàn. Trong palladium các electron ở xa hạt nhân nguyên tử và xa nhau hơn một chút, do đó tương tác điện tử giữa chúng yếu hơn".
Palladiate có cấu hình điện tử lý tưởng cho tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Sau khi xây dựng một mô hình với các biến số như cường độ tương tác điện tử, chu kỳ hoạt động và phân tán năng lượng xung, các nhà nghiên cứu đã xác định dải siêu dẫn trong palladiate và vạch ra hai hợp chất có Tc cao nhất, khoảng 100 độ K: RbSr2PdO3 và (Ba0.5La0. 5)2PdO2Cl2.
Sản phẩm paladi đạt tiêu chuẩn cao nhất tại nhà máy "Krassvetmet"
© Sputnik / Ilya Naymushin
/ Các tác giả của công trình nghiên cứu hy vọng rằng, các nhà thí nghiệm đồng nghiệp của họ sẽ chế tạo các vật liệu như vậy và sẽ kiểm tra các đặc tính của chúng trong phòng thí nghiệm.
Giáo sư Held lưu ý: "Kết quả tính toán rất hứa hẹn. Nếu một loại chất siêu dẫn mới xuất hiện, điều này sẽ thúc đẩy quá trình nghiên cứu và sẽ giúp hiểu rõ hơn về hiện tượng siêu dẫn nói chung".
Đối với Nga, quốc gia có trữ lượng palladium lớn nhất thế giới, đây là một tin tốt. Khai thác palađium ở Nga đang được thực hiện tại khu vực Norilsk và trên Bán đảo Kola.
Palladium đang được sử dụng chủ yếu trong các bộ chuyển đổi xúc tác của động cơ đốt trong trên ô tô. Kim loại này cũng được sử dụng trong ngành điện tử, y học, công nghiệp hóa chất và ngành chế tác trang sức. Nhờ HTS dựa trên palladiate, nhu cầu về nó có thể tăng mạnh.
Chuyên gia công nghiệp, Tiến sĩ Kinh tế Leonid Khazanov lưu ý: "Điều này sẽ hình thành một phạm vi tiêu thụ palađium mới, tiêu thụ palladium có thể đạt 100 tấn/năm. Và Nga có khả năng chiếm 20-30% thị phần trên thị trường HTS".
Vấn đề chính là kim loại palladium rất hiếm và đắt tiền. Giá kim loại palladium tiến sát mốc 2.000 USD/ounce (khoảng 31 gram) và sản lượng không phải là hàng triệu tấn như đồng và niken, mà là khoảng 250 tấn/năm.
