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Graphène : un pas de géant vers les supraconducteurs à température ambiante

LES SCIENCESCHIMIEGraphène : un pas de géant vers les supraconducteurs à température ambiante

Une étude révolutionnaire récente a montré les propriétés uniques du matériau graphène pour une possibilité à long terme de développer enfin des supraconducteurs économiques et pratiques à utiliser.

A supraconducteur est un matériau qui peut conduire (transmettre) l'électricité sans résistance. Cette résistance est définie comme une certaine perte d'énergie qui se produit pendant le processus. Ainsi, tout matériau devient supraconducteur lorsqu'il est capable de conduire l'électricité, à cette « température » ou condition particulière, sans dégagement de chaleur, de son ou de toute autre forme d'énergie. Les supraconducteurs sont efficaces à 100 %, mais la plupart des matériaux doivent être dans un état d'énergie extrêmement faible pour devenir supraconducteurs, ce qui signifie qu'ils doivent être très froids. La plupart des supraconducteurs doivent être refroidis avec de l'hélium liquide à une température très basse d'environ -270 degrés Celsius. Ainsi, toute application supraconductrice est généralement couplée à une sorte de refroidissement cryogénique/basse température actif ou passif. Cette procédure de refroidissement nécessite en elle-même une quantité excessive d'énergie et l'hélium liquide est non seulement très coûteux mais également non renouvelable. Par conséquent, la plupart des supraconducteurs conventionnels ou « à basse température » ​​sont inefficaces, ont leurs limites, ne sont pas économiques, coûteux et peu pratiques pour une utilisation à grande échelle.

Supraconducteurs à haute température

Le domaine des supraconducteurs a fait un bond en avant au milieu des années 1980 lorsqu'un composé d'oxyde de cuivre a été découvert qui pouvait supraconducteur à -238 degrés Celsius. C'est encore froid, mais beaucoup plus chaud que les températures de l'hélium liquide. Il s'agissait du premier « supraconducteur à haute température » (HTC) jamais découvert, remportant le prix Nobel, bien qu'il ne soit « élevé » que dans un sens plus relatif. Par conséquent, les scientifiques ont pensé qu'ils pourraient éventuellement se concentrer sur la recherche de supraconducteurs qui fonctionnent, disons avec de l'azote liquide (-196 ° C) ayant l'avantage d'être disponible en abondance et également bon marché. Les supraconducteurs à haute température ont également des applications où des champs magnétiques très élevés sont requis. Leurs homologues à basse température cessent de fonctionner à environ 23 teslas (les tesla sont une unité d'intensité de champ magnétique), ils ne peuvent donc pas être utilisés pour fabriquer des aimants plus puissants. Mais les matériaux supraconducteurs à haute température peuvent fonctionner à plus du double de ce champ, et probablement encore plus haut. Étant donné que les supraconducteurs génèrent de grands champs magnétiques, ils sont un composant essentiel des scanners et des trains en lévitation. Par exemple, l'IRM aujourd'hui (Imagerie par Résonance Magnétique) est une technique qui utilise cette qualité pour regarder et étudier des matériaux, des maladies et des molécules complexes dans le corps. D'autres applications incluent le stockage d'électricité à l'échelle du réseau en ayant des lignes électriques à haut rendement énergétique (par exemple, les câbles supraconducteurs peuvent fournir 10 fois plus d'énergie que des fils de cuivre de la même taille), des générateurs d'énergie éolienne et également des superordinateurs. Les appareils capables de stocker l'énergie pendant des millions d'années peut être créée avec des supraconducteurs.

Les supraconducteurs à haute température actuels ont leurs propres limites et défis. En plus d'être très coûteux car nécessitant un dispositif de refroidissement, ces supraconducteurs sont constitués de matériaux cassants et ne sont pas faciles à mettre en forme et ne peuvent donc pas être utilisés pour réaliser des fils électriques. Le matériau peut également être chimiquement instable dans certains environnements et extrêmement sensible aux impuretés de l'atmosphère et de l'eau et doit donc être généralement enrobé. Il n'y a alors qu'un courant maximum que les matériaux supraconducteurs peuvent véhiculer et au-dessus d'une densité de courant critique, la supraconductivité se décompose en limitant le courant. Les coûts énormes et les problèmes pratiques entravent l'utilisation de bons supraconducteurs, en particulier dans les pays en développement. Les ingénieurs, dans leur imagination, voudraient vraiment un supraconducteur ferromagnétique doux, malléable, imperméable aux impuretés ou aux courants et champs magnétiques appliqués. Est-ce trop demandé!

Le graphène pourrait l'être !

Le critère central d'un supraconducteur réussi est de trouver une température élevée supraconducteurr, le scénario idéal étant la température ambiante. Cependant, les nouveaux matériaux sont encore limités et sont très difficiles à fabriquer. Il y a encore un apprentissage continu dans ce domaine sur la méthodologie exacte adoptée par ces supraconducteurs à haute température et sur la manière dont les scientifiques pourraient arriver à une nouvelle conception pratique. L'un des aspects difficiles des supraconducteurs à haute température est qu'on comprend très mal ce qui aide vraiment les électrons d'un matériau à s'apparier. Dans une étude récente, il a été montré pour la première fois que le matériau graphène a une qualité supraconductrice intrinsèque et nous pouvons vraiment fabriquer un supraconducteur au graphène dans l'état naturel du matériau. Le graphène, un matériau purement à base de carbone, n'a été découvert qu'en 2004 et est le matériau le plus fin connu. Il est également léger et flexible, chaque feuille étant composée d'atomes de carbone disposés de manière hexagonale. Il est considéré comme plus résistant que l'acier et exprime une bien meilleure conductivité électrique que le cuivre. C'est donc un matériau multidimensionnel avec toutes ces propriétés prometteuses.

Physiciens du Massachusetts Institute of Technology et de l'Université Harvard, États-Unis, dont les travaux sont publiés dans deux articles1,2 in Nature, ont rapporté qu'ils sont capables de régler le graphène matériel pour montrer deux comportements électriques extrêmes - en tant qu'isolant dans lequel il ne laisse passer aucun courant et en tant que supraconducteur dans lequel il laisse passer le courant sans aucune résistance. Un «superréseau» de deux feuilles de graphène a été créé empilées ensemble légèrement tournées à un «angle magique» de 1.1 degrés. Cette disposition particulière de motifs en nid d'abeilles hexagonaux superposés a été réalisée de manière à potentiellement induire des «interactions fortement corrélées» entre les électrons dans les feuilles de graphène. Et cela s'est produit parce que le graphène pouvait conduire l'électricité avec une résistance nulle à cet «angle magique», tandis que tout autre arrangement empilé maintenait le graphène distinct et il n'y avait aucune interaction avec les couches voisines. Ils ont montré un moyen de faire en sorte que le graphène adopte une qualité intrinsèque à la super conduite par lui-même. La raison pour laquelle cela est très pertinent est que le même groupe avait auparavant synthétisé des supraconducteurs au graphène en plaçant le graphène en contact avec d'autres métaux supraconducteurs, ce qui lui permettait d'hériter de certains comportements supraconducteurs, mais ne pouvait pas y parvenir avec le graphène seul. Il s'agit d'un rapport révolutionnaire car les capacités conductrices du graphène sont connues depuis un certain temps, mais c'est la première fois que la supraconductivité du graphène est atteinte sans y altérer ni ajouter d'autres matériaux. Ainsi, le graphène pourrait être utilisé pour fabriquer un transistor semblable à celui d'un transistor. dispositif dans un circuit supraconducteur et la supraconductivité exprimée par le graphène pourrait être incorporée dans des dispositifs électroniques moléculaires dotés de nouvelles fonctionnalités.

Cela nous ramène à toutes les discussions sur les supraconducteurs à haute température et bien que ce système doive encore être refroidi à 1.7 degré Celsius, produire et utiliser du graphène pour de grands projets semble désormais réalisable en étudiant sa supraconductivité non conventionnelle. Contrairement aux supraconducteurs conventionnels, l'activité du graphène ne peut pas être expliquée par la théorie dominante de la supraconductivité. Une telle activité non conventionnelle a été observée dans des oxydes de cuivre complexes appelés cuprates, connus pour conduire l'électricité jusqu'à 133 degrés Celsius, et a fait l'objet de recherches pendant plusieurs décennies. Cependant, contrairement à ces cuprates, un système de graphène empilé est assez simple et le matériau est également mieux compris. Ce n'est que maintenant que le graphène a été découvert en tant que supraconducteur pur, mais le matériau en lui-même possède de nombreuses capacités exceptionnelles qui étaient auparavant connues. Ce travail ouvre la voie à un rôle plus important du graphène et au développement de supraconducteurs à haute température respectueux de l'environnement et plus économes en énergie et, surtout, fonctionnant à température ambiante, éliminant ainsi le besoin d'un refroidissement coûteux. Cela pourrait révolutionner la transmission d'énergie, les aimants de recherche, les appareils médicaux, en particulier les scanners, et pourrait vraiment remanier la façon dont l'énergie est transmise dans nos maisons et nos bureaux.

***

{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

1. Yuan C et al. 2018. Comportement de l'isolant corrélé à demi-remplissage dans les super-réseaux de graphène à angle magique. La nature. https://doi.org/10.1038/nature26154

2. Yuan C et al. 2018. Supraconductivité non conventionnelle dans les super-réseaux de graphène à angle magique. La nature. https://doi.org/10.1038/nature26160

Équipe SCIEU
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