Wrinkles and Magnetic Flux Trapping in Graphite Nanoflakes: A Possible Source and Manifestation of Room-Temperature Superconductivity
Questo articolo riferisce che la macinazione prolungata e la ricottura in aria di nanoflake di grafite inducono rugosità superficiali ad alta densità, che correlano con il intrappolamento del flusso magnetico fino a 390 K, suggerendo che questi difetti siano la fonte della superconduttività locale a temperatura ambiente.
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Per decenni, i fisici hanno inseguito un sogno specifico: trovare un materiale che conduca l'elettricità con assolutamente nessuna resistenza a temperatura ambiente. Questo stato, noto come superconduttività, di solito richiede il raffreddamento dei materiali a temperature vicine allo zero assoluto, una condizione costosa e difficile da mantenere. Se gli scienziati riuscissero a trovare un materiale che faccia questo in condizioni ordinarie, rivoluzionerebbero il modo in cui generiamo e movimentiamo l'energia, eliminando il massiccio spreco di calore che attualmente affligge le reti elettriche e i dispositivi elettronici. Mentre la maggior parte dei superconduttori sono metalli o ceramiche complessi, i ricercatori sospettano da tempo che il carbonio, lo stesso elemento che si trova nella grafite delle matite e nei diamanti, possa detenere la chiave. I materiali a base di carbonio, in particolare la grafite, hanno mostrato strani indizi di questo comportamento, ma le prove sono state spesso frammentate, apparendo solo in minuscole zone isolate piuttosto che nell'intero materiale. La sfida è stata capire esattamente quale caratteristica strutturale nel carbonio permetta di condurre elettricità senza perdite a temperature così elevate.
Un team di ricercatori dell'Università Federale di Kazan, in Russia, ha ora compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo enigma osservando attentamente la superficie di scaglie di grafite. Sono partiti dalla comune grafite massiva e l'hanno sottoposta a un semplice processo in due fasi: prima, hanno macinato il materiale in scaglie molto fini e, secondo, lo hanno riscaldato in aria. Questo trattamento ha fatto qualcosa di inaspettato alla superficie della grafite. Inve al di lasciare piatte, i sottili fogli hanno sviluppato un'alta densità di rugosità, simili al modo in cui un pezzo di carta stropicciato potrebbe assestarsi in un particolare schema di pieghe. Quando i ricercatori hanno esaminato queste scaglie sotto potenti microscopi, hanno visto che queste rugosità non erano casuali; formavano reti parallele organizzate attraverso la superficie del materiale. Fondamentalmente, quando hanno ripetuto il processo ma hanno riscaldato la grafite in un vuoto invece che in aria, queste rugosità non si sono formate e la superficie è rimasta relativamente liscia.
La vera scoperta è avvenuta quando il team ha testato come questi diversi campioni reagivano ai campi magnetici. Hanno raffreddato i campioni e poi li hanno esposti a un campo magnetico, un test standard per vedere se un materiale può intrappolare le linee di forza magnetiche. Nel mondo della fisica, la capacità di intrappolare il flusso magnetico è un segno distintivo della superconduttività. I ricercatori hanno scoperto che le scaglie di grafite con le rugosità indotte dall'aria intrappolavano fortemente i campi magnetici. Ancora più straordinoso, questo effetto di intrappolamento è persistito anche quando il campione veniva riscaldato fino a 390 Kelvin, ovvero circa 117 gradi Celsius, ben al di sopra del punto di congelamento dell'acqua e superiore alla tipica temperatura ambiente. Al contrario, la grafite macinata che non era mai stata riscaldata e la grafite riscaldata nel vuoto non hanno mostrato quasi nessuna capacità di intrappolare i campi magnetici. Il team ha confermato che questo intrappolamento magnetico non era causato da uno spostamento del bilancio magnetico interno del materiale, ma da correnti elettriche persistenti che scorrevano all'interno delle regioni rugose, bloccando efficacemente il campo magnetico in posizione.
Lo studio suggerisce un legame diretto tra la forma fisica del materiale e le sue proprietà elettriche. Il processo di macinazione ha probabilmente introdotto stress e disordine negli strati di atomi di carbonio, e il successivo riscaldamento in aria ha permesso al materiale di rilasciare questo stress ripiegandosi in rugosità. Queste pieghe specifiche sembrano creare l'ambiente perfetto per il movimento degli elettroni senza resistenza. I ricercatori hanno escluso l'idea che ciò fosse il risultato del fatto che la grafite fosse semplicemente diventata più pulita o più ordinata, poiché i campioni riscaldati nel vuoto, che avevano subito comunque cambiamenti strutturali, non mostravano lo stesso intrappolamento magnetico. Invece, la disposizione unica delle rugosità nel campione trattato in aria sembra essere la fonte dell'effetto. Sebbene i ricercatori descrivano questo come una manifestazione di superconduttività locale piuttosto che una trasformazione completa dell'intero blocco di grafite, i risultati forniscono un modo chiaro e riproducibile per creare regioni nel carbonio che conducono elettricità senza perdite a temperature molto più alte di quanto precedentemente ritenuto possibile per tali materiali. Il lavoro offre una spiegazione tangibile del perché certe strutture di carbonio si comportino come superconduttori, indicando le rugosità stesse come gli architetti nascosti di questo fenomeno.
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