Mokslas patvirtino, kad egzistuoja nauji ir labai keisti urano junginiai, o svarbiausia, jie pasižymi superlaidumu

Mokslininkai eksperimentais patvirtino, kad egzistuoja nauji ir keisti urano junginiai. Ir jau prognozuojama, kad kai kurie naujieji junginiai netgi galėtų demonstruoti superlaidumo savybes esant kambario temperatūrai.

Superlaidžios medžiagos geba perduoti elektros energiją praktiškai be jokio pasipriešinimo ir tai yra neįtikėtina savybė, galinti pakeisti mūsų energetikos sektorių ir tai, kaip mes naudojame elektrą.

Urano junginiai
© Lion_on_helium/MIPT Press Office

Nors mokslininkams ir pavykdavo atrasti superlaidžių medžiagų, tačiau jos tokias savybes demonstruodavo tik esant itin žemai temperatūrai ir ekstremaliam slėgiui.

Esamo rekordo savininkas yra retasis vandenilio sieros junginys, kuris superlaidumo savybes demonstravo esant –70 laipsnių pagal Celsijų (203 K) temperatūrai. Dabar mokslininkai mano, kad naujieji urano junginiai gali pasiekti kažką panašaus, o gal ir dar geriau, nes jie gali nereikalauti tokio didelio slėgio.

Dar visai neseniai vienintelis šios molekulės rūšies pavyzdys buvo urano trihidridas (UH₃), kuris vaidino itin svarbų vaidmenį 1940-aisiais metais vykusiuose branduoliniuose bandymuose.

Dabar į šį sąrašą galime pridėti dar keletą junginių, įskaitant UH₅, UH₆, UH₇, UH₈, UH₉, U₂H₁₃ ir U₂H₁₇.

Norėdami sukurti šiuos junginius, mokslininkų komanda, kurią sudaro tyrėjai iš JAV, Rusijos ir Kinijos, panaudojo 5 milijonų atmosferų slėgį. Taip jie galėjo pagaminti įvairius urano ir vandenilio mišinius ir išplėsti urano hidridų asortimentą iki dar nematyto lygio.

Po truputi keisdami slėgio lygį, mokslininkai iš viso sukūrė 14 naujų urano hidrido junginių. Ir toks darbas nėra vien tik akademiniai tyrimai. Šie junginiai gali atverti duris į superlaidumo paslaptis.

„Mes nustatėme du esminius dalykus: kad didelis slėgis sukuria neįtikėtinai daug skirtingų hidridų, kurių daugumos nerasite klasikinėje chemijoje ir kad šie hidridai iš tikrųjų gali demonstruoti superlaidumą esant mažam slėgiui – galbūt netgi esant įprastam atmosferos slėgiui“, – sakė MIPT mokslininkas Artem‘as R. Organov‘as.

Kodėl superlaidumas yra toks svarbus?

Mes jau daugiau nei šimtmetį žinome, kad elektros energija gali tekėti per tam tikras medžiagas ir neprarasti brangios mums energijos.

Šias žinias pritaikius praktiškai, tai būtų didžiulis perversmas elektronikos srityje, tačiau yra vienas kabliukas: šie junginiai turi būti ekstremaliai šaltoje aplinkoje – keletoje laipsnių virš absoliutaus nulio.

Bet yra ir tam tikros vilties. 1980-aisiais mokslininkai nustatė, kad tam tikros keraminės medžiagos gali pasiekti tuos pačius rezultatus ir tam nereikia panaudoti pačių brangiausių pasaulio šaldiklių. O prieš ketverius metus mokslininkai iš Max‘o Planck‘o chemijos instituto Vokietijoje nužengė dar toliau ir paskelbė atradę sieros hidridą (H3S), kuris demonstravo superlaidumą esant 203 K temperatūrai.

Tad jei kyla klausimas kodėl mes vis dar nesinaudojame skystaisiais azotais aprūpintais kompiuteriais, kurių veikimo efektyvumas būtų 100 %, tai atsakymas yra paprastas – viskas dėl slėgio. Jis turi siekti maždaug 1,5 milijonų atmosferų.

Todėl naujieji hidridai tapo labai patraukliais junginiais, kurie galbūt atrakins superlaidumą. „Po H3S atradimo mokslininkai pradėjo nekantriai ieškoti superlaidžių hidridų kituose nemetaluose“, – sakė Maskvos fizikos ir technologijų instituto (MIPT) mokslininkas Ivan‘as Kruglov‘as.

Nors nemetalų hidridai yra tokie perspektyvūs, tačiau nereikėtų užmiršti ir metalų hidridų. Anksčiau šiais metais mokslininkai iš MIPT pritaikė aktinoidų elementų serijos algoritmą, kad nustatytų, kurie iš jų gali sudaryti stabilius hidridus.

Nuo to laiko komanda atkreipė dėmesį į uraną, įtardama, kad hidridai, pagaminti iš šio elemento, taip pat gali tapti superlaidžiais ir nereikalauti ypač didelio slėgio. Nors idėja popieriuje atrodė labai gerai, tai tapo pirmuoju kartu, kai tyrėjai sugebėjo parodyti, kad tokie junginiai iš tikrųjų gali egzistuoti ir elgtis taip, kaip buvo numatyta.

Svarbu pastebėti, kad šie junginiai demonstravo superlaidumo savybes esant gerokai mažesniam slėgiui, lyginant su kitais junginiais.

„Mūsų tyrimas parodė, kad metalų hidridai turi tiek pat potencialo, kaip ir nemetalų, kai kalbame apie temperatūros faktorių“, – sakė Kruglov‘as.

Visgi, reikia būti realistams ir pripažinti, kad tai yra žingsnis, o ne šuolis pirmyn. Naujieji hidridai demonstruoja superlaidumo savybes vis dar esant itin žemai temperatūrai: –219 laipsnių Celsijaus.

Mokslininkų komanda mano, kad jie gali pakelti temperatūrą, pridėdami naujų medžiagų, kurios galbūt ir sumažintų reikalaujamo slėgio dydį ar suteiktų kitų privalumų.

Bet esminis tikslas yra suprasti, kaip skirtingos medžiagos ir kokiomis sąlygomis demonstruoja superlaidumą ir pasinaudojus šiomis žiniomis sukurti idealų superlaidininką. Taip, superlaidumo rebusas yra sudėtingas ir jo iššifravimas vyksta ne taip greitai, kaip kad norėtųsi. Tačiau galutinis rezultatas yra vertas pastangų ir sugaišto laiko.

Tyrimo rezultatai buvo paskelbti moksliniame žurnale „Science Advances“.