Het ‘dichte’ potentieel van nanogestructureerde supergeleiders

Wetenschappers van SIT en University of Normandie ontwikkelden bulk MgB₂ met veelbelovende supergeleiding. Deze foto toont ongereageerd magnesiumoxide en boor in de matrix van MgB₂, en de inzet toont energiedispersieve röntgenspectroscopiecurven voor boor, zuurstof en magnesium. Credit: Muralidhar Miryala van SIT, Japan en Prof. Jacques G. Noudem van UN, Frankrijk

Van supersnelle magnetische levitatietreinen en computerchips tot magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -machines en deeltjesversnellers, supergeleiders elektriseren verschillende aspecten van ons leven. Supergeleiding is een interessante eigenschap waarmee materialen bewegende ladingen zonder enige weerstand kunnen overbrengen, onder een bepaald kritisch punt. Dit houdt in dat supergeleidende materialen elektrische energie op een zeer efficiënte manier kunnen overbrengen zonder verlies in de vorm van warmte, in tegenstelling tot veel conventionele geleiders.

Bijna twee decennia geleden ontdekten wetenschappers supergeleiding in een nieuw materiaal: magnesiumdiboride of MgB₂. Er is een heropleving van de populariteit van MgB₂ vanwege de lage kosten, superieure supergeleidende eigenschappen, hoge kritische stroomdichtheid (wat betekent dat MgB in vergelijking met andere materialen₂ blijft een halfgeleider, zelfs wanneer er grotere hoeveelheden elektrische stroom doorheen worden geleid), en ingesloten magnetische velden die ontstaan ​​door sterke speling van de wervels – dit zijn cilindrische stroomlussen of buizen met magnetische flux die een supergeleider binnendringen.

Het intermetallische MgB₂ maakt het ook mogelijk om de eigenschappen ervan aan te passen. Bijvoorbeeld de kritische stroomdichtheidswaarden (J_c) van MgB₂ kan worden verbeterd door de korrelgrootte te verkleinen en het aantal korrelgrenzen te vergroten. Een dergelijke instelbaarheid wordt niet waargenomen in conventionele gelaagde supergeleiders.

Om de toepassingen van MgB . te verbreden₂er is echter behoefte aan een vereenvoudiging van de bereidingswijze. Onlangs is een team van onderzoekers op reis gegaan om dit te doen. Ze fabriceerden een nieuwe bulk MgB₂ via een proces dat vonkplasma-sintering (SPS) wordt genoemd.

In hun recente artikel, gepubliceerd op 27 juli 2022 in NanomaterialenProf. Muralidhar Miryala van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, die de groep leidde, legt uit dat “spark plasma sintering (SPS) een zeer interessante techniek is – het is een snelle consolidatiemethode, waarbij poeder wordt omgezet in een dicht stevig.”

“De warmtebron in deze procedure is niet extern, maar is een elektrische stroom die over de matrijs stroomt, waardoor het poeder in een bulkmateriaal sintert. De sinterkinetiek kan beter worden begrepen en gecontroleerd met SPS. controle van de graangroei. Bovendien heeft het ook een kortere verwerkingstijd!”

Prof. Miryala en Prof. Jacques G. Noudem (van de Universiteit van Normandie, Frankrijk) hadden deze onconventionele methode gebruikt om bulkmonsters van MgB te bereiden₂. Het resulterende materiaal had uitstekende supergeleidende eigenschappen en een dichtheid die 95% bereikte van wat theoretisch voor het materiaal was voorspeld. Het studieteam omvatte Prof. Pierre Bernstein en Yiteng Xing, die een dubbele graad Ph.D. student aan SIT en de Universiteit van Normandie.

Om de bulk MgB . te synthetiseren₂, laadde het team twee poeders – magnesium en amorf boor – in een wolfraamcarbide (WC) mal en sinterde ze met SPS bij verschillende temperaturen variërend van 500-750 ° C en een druk variërend van 260-300 megapascal (MPa), en vervolgens afgekoeld het gevormde materiaal. De totale verwerkingstijd was ongeveer 100 minuten. Het team analyseerde vervolgens de dichtheid en de structurele eigenschappen van het voorbereide materiaal, met behulp van verschillende beeldvormings- en testmethoden.

Uit hun experimenten bleek dat het materiaal een zeer hoge dichtheid had van 2,46 g/cm³ en een hoge pakkingsfactor van 95% (wat aangeeft dat de atomen in het stortgoed zeer dicht bij elkaar lagen). Het toonde ook de aanwezigheid van nanokorrels en een groot aantal korrelgrenzen.

Bovendien vertoonde het geen Mg-verarmde fasen zoals MgB_4. Elektromagnetische karakterisering van het materiaal toonde aan dat het een extreem hoge J_c tot 6,75 10⁵ ampère/cm² bij ongeveer -253°C. Dit betekent dat zelfs bij die hoge stroomdichtheid de bulk MgB₂ gemaakt door het team zou fungeren als een supergeleider. “Het is J_c was vrij opmerkelijk voor pure, ongedoteerde MgB₂“, merkte prof. Miryala op.

Nieuwsgierig naar hoe het materiaal zulke uitstekende eigenschappen vertoonde, groef het team dieper. Ze concludeerden dat het bereide MgB₂’s supergeleidende eigenschappen waren te danken aan de hoge dichtheid, uitstekende korrelconnectiviteit (vanwege geen Mg-uitgeputte fasen) en de sterke speling van wervels die werd benut door de aanwezigheid van nanokorrels en korrelgrenzen.

Deze studie bood een nieuwe manier om de eigenschappen van supergeleidende materialen zoals MgB . te verbeteren₂. Gezien de hoge kwaliteit van dit materiaal J_c, het kan worden gebruikt in vloeibare waterstofgekoelde technologie. Het komt ook naar voren als een veelbelovende kandidaat voor op vloeibare waterstof gebaseerde transport-, opslag- en brandstofsystemen.

“Opwarming van de aarde is een van de grootste bedreigingen waarmee de mensheid tegenwoordig wordt geconfronteerd en de verschuiving naar een economie met hernieuwbare energie is een van de meest effectieve oplossingen voor dit probleem. Gezien het potentiële gebruik van het materiaal in vloeibare waterstofsystemen en de uitstekende structurele en supergeleidende eigenschappen, is ons werk is een positieve stap in de richting van de realisatie van groenere technologie”, besluit prof. Miryala.