Gecomprimeerde nanolinten van titanium en zwavel kunnen elektriciteit overbrengen zonder energieverlies, ontdekken wetenschappers

Wanneer ze worden samengedrukt, kunnen nanolinten van titanium en zwavel de eigenschappen dramatisch veranderen en veranderen in materialen met het vermogen om elektriciteit te geleiden zonder energie te verliezen, volgens een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven.

De auteurs hebben de ontdekking gedaan tijdens hun moeizame zoektocht naar nieuwe materialen die elektriciteit kunnen overbrengen zonder energieverlies, een actueel onderwerp dat de wetenschappelijke gemeenschap al lang achtervolgt.

“Ons onderzoek richt zich op zo’n veelbelovend materiaal: TiS₃ nanolinten, dit zijn kleine, lintachtige structuren gemaakt van titanium en zwavel. In hun natuurlijke staat, TiS₃ Nanolinten fungeren als isolatoren, wat betekent dat ze de elektriciteit niet goed geleiden”, zegt Mahmoud Rabie Abdel-Hafez, universitair hoofddocent aan de afdeling Toegepaste Natuurkunde en Sterrenkunde van de Universiteit van Sharjah.

“We ontdekten echter dat we door druk uit te oefenen op deze nanolinten hun elektrische eigenschappen dramatisch konden veranderen”, zegt Abdel-Hafez, de hoofdauteur van het onderzoek.

De wetenschappers hebben TiS blootgelegd₃ tot geleidelijke druk. Toen ze de druk opvoerden, ontdekten ze dat de TiS₃ Het systeem onderging voor het eerst een reeks overgangen, van isolatoren naar metalen en supergeleiders.

TiS₃ Het is bekend dat materialen goede isolatoren zijn, maar het is de eerste keer dat wetenschappers hebben ontdekt dat ze onder druk kunnen functioneren als supergeleiders, wat de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van supergeleidende materialen.

“Supergeleiders zijn bijzonder omdat ze elektriciteit kunnen geleiden zonder energieverlies, wat ongelooflijk waardevol is voor technologische toepassingen”, zegt Abdel-Hafez. “[But] stel je een wereld voor waarin elektrische energie kan worden overgedragen zonder dat er energie wordt verspild als warmte. Dit zou een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we elektriciteit gebruiken en distribueren, waardoor alles, van elektriciteitsnetwerken tot elektronische apparaten, veel efficiënter wordt.”

Het is precies dit potentieel dat de auteurs als een doorbraak aanprijzen: het potentieel van TiS₃ om te zetten in materialen die geen afval veroorzaken bij het transporteren van elektriciteit. Door de druk die op deze materialen wordt uitgeoefend zorgvuldig te controleren, identificeerden de auteurs de exacte punten waarop ze van de ene toestand naar de andere veranderden.

“Dit is belangrijk omdat het begrijpen van deze overgangen ons helpt te leren hoe we andere materialen op vergelijkbare manieren kunnen manipuleren, waardoor we dichter bij het ontdekken of ontwerpen van nieuwe supergeleiders komen die kunnen werken bij hogere temperaturen en meer praktische omstandigheden”, merkt Abdel-Hafez op.

Uit het onderzoek blijkt dat TiS₃ heeft het potentieel om zo’n materiaal te worden als het aan de juiste omstandigheden wordt onderworpen. Door geleidelijk de druk op de onderzochte materialen te vergroten, constateerden de auteurs dat ze overgingen van isolatoren (slechte geleiders) naar metalen (goede geleiders) en uiteindelijk naar supergeleiders (perfecte geleiders zonder energieverlies).

Dat TiS ontdekken₃ materialen onder druk supergeleiders kunnen worden, zal wetenschappers zeker helpen meer inzicht te krijgen in de voorwaarden die nodig zijn voor supergeleiding. Deze kennis is cruciaal voor het ontwikkelen van nieuwe materialen die bij hogere, meer praktische temperaturen supergeleiders zouden kunnen zijn, beweren de auteurs.

“Dit onderzoek vergroot niet alleen ons begrip van supergeleiding, maar toont ook de kracht aan van internationale samenwerking bij het bereiken van baanbrekende wetenschappelijke resultaten”, bevestigt de Zweedse hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Uppsala, medeauteur.

Het project maakt deel uit van de onderzoeksmissie van de Universiteit van Sharjah om materialen te ontwikkelen die elektriciteit kunnen overbrengen zonder energieverlies, en biedt nieuwe inzichten in hoe druk de elektrische eigenschappen van TiS kan transformeren.₃ nanolinten.

De studie is een gezamenlijke inspanning waaraan wetenschappers uit Zweden, China en Rusland deelnamen. “Deze vooruitgang verlegt niet alleen de grenzen van de materiaalwetenschap, maar houdt ook de belofte in van baanbrekende toepassingen op verschillende gebieden, waaronder energietransmissie en elektronische apparaten”, zegt Abdel-Hafez.

Over de methode die is gebruikt om het onderzoek uit te voeren, schrijven de auteurs dat ze “experimentele en theoretische benaderingen hebben gevolgd om het hogedrukgedrag van de elektronische eigenschappen van TiS uitgebreid te onderzoeken.₃een quasi-eendimensionale (Q1D) halfgeleider, over verschillende temperatuurbereiken.

“Door elektrische weerstand onder hoge druk en magnetische metingen bij verhoogde druk ontdekken we een kenmerkende reeks faseovergangen binnen TiS₃die een transformatie omvat van een isolerende toestand bij omgevingsdruk naar het ontstaan ​​van een beginnende supergeleidende toestand boven 70 GPa.”

Volgens Abdel-Hafez maakt het onderzoek de weg vrij voor het vinden van nieuwe supergeleiders, een jacht die hij vergeleek met ‘de zoektocht naar de heilige graal in de materiaalkunde, omdat deze materialen elektriciteit kunnen geleiden zonder enig energieverlies. Dit is van cruciaal belang omdat dit kan leiden tot ongelooflijk efficiënte krachtoverbrenging en talrijke technologische ontwikkelingen.”

De auteurs merken echter op dat er meer onderzoek nodig is om te begrijpen hoe deze supergeleiders werken en de theorieën erachter, onderwerpen waarover in de literatuur nog steeds fel wordt gedebatteerd. “In ons onderzoekspaper over TiS₃ materialen, ontdekten we dat we hun elektrische eigenschappen dramatisch konden veranderen.

“Deze materialen hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de energietransmissie door het mogelijk te maken elektriciteit te geleiden zonder enig energieverlies. Bovendien kunnen ze technologieën vooruit helpen op het gebied van medische beeldvorming, elektronische apparaten en transportsystemen zoals magneettreinen”, zegt Abdel-Hafez.

De auteurs zijn optimistisch over de implicaties van hun bevindingen. Ze merken op: “Onze bevindingen leveren overtuigend bewijs dat supergeleiding bij lage temperaturen van ~2,9 K een fundamenteel kenmerk is van TiS₃wat nieuw licht werpt op de intrigerende hogedruk-elektronische eigenschappen van TiS₃.”