Новые линии электропередач, работающие без потерь, транспорт на магнитной подушке, быстрая очистка воды, эффективные ветрогенераторы станут возможны благодаря внедрению сверхпроводников, над поиском которых работают ученые «Сколтеха». Под руководством доктора физико-математических наук, профессора Сколковского института науки и технологий Артема Оганова открыто новое направление поиска: исследуется сверхпроводимость целого ряда гидридов урана. Это стало следующим шагом в поиске вещества с нужными характеристиками, удобными для использования в практических целях. Цель исследований — расширить применяемость сверхпроводящих материалов, оптимизировав их рабочую температуру.
Химия под давлением
Уникальные свойства сверхпроводниковых материалов можно использовать в разных сферах. Например, при прохождении через них электрического тока образуются самые сильные магнитные поля, что позволяет создавать сверхмощные электромагниты, которые используются для различных исследованиях. Самый крупный из них сейчас работает в детекторе элементарных частиц ATLAS Большого адронного коллайдера, а небольшие служат основой диагностических аппаратов МРТ, которые есть практически в любой крупной больнице. Благодаря магнитным свойствам сверхпроводники также используются в некоторых высокопроизводительных электродвигателях и генераторах тока, работа которых основана на взаимодействии нескольких полей между собой. Перспективной областью применения сверхпроводников может стать и передача энергии на большие расстояния, которая благодаря их нулевому сопротивлению будет осуществляться практически без потерь.
Однако на сегодняшний день применение сверхпроводников в технике имеет ряд существенных ограничений. Главное из них — необходимость глубокого охлаждения с помощью жидкого азота. Увеличение рабочей температуры может значительно удешевить технологию и ускорить ее внедрение. Одним из прорывов в поиске подобных соединений стало исследование китайских учёных, которые в 2014 году предположили трансформацию сероводорода (H2S) в вещество H3S, обладающее сверхпроводимостью при температуре до 203 кельвин (-70 °C) и давлении порядка полутора миллионов атмосфер (прошлый рекорд для высокого давления 166 кельвин (-107 °C)). Годом позже эти данные были экспериментально подтверждены российско-немецкой группой ученых под руководством физика Михаила Еремеца (институт Макса Планка в Майнце, Германия).
Открытие сверхпроводимости у соединений водорода с ураном, сделанное группой ученых из Сколковского института науки и технологий, стало следующим шагом в поиске вещества с нужными характеристиками.
— Классический UH3 нельзя назвать удачным вариантом в силу его токсичности и легковоспламеняемости. Другое дело — целый ряд гидридов урана, которые, согласно нашим прогнозам, возникают при давлениях от 60 тыс. атмосфер. В частности, UH7 проявляет сверхпроводимость при температуре около 60 кельвинов (-213 °C). На текущий момент несколько предсказанных нами гидридов уже были получены экспериментально ученым Александром Гончаровым из Научного института Карнеги (Вашингтон), — рассказал «Известиям» Артем Оганов.
Успешное изучение соединений водорода с 92-м элементом периодической системы стало лишь первым этапом изучения сверхпроводимости веществ, содержащих в себе радиоактивные металлы.
— Вдохновившись результатами нашей работы с ураном, мы обратили внимание на другие элементы, входящие в группу актиноидов. В частности, ожидаемая сверхпроводимость в гидридах тория будет наступать уже при давлении в миллион атмосфер и сопоставимой с H3S температуре в 190 кельвин (-83 °C). Еще лучше выглядит ситуация с гидридами актиния — их температура сверхпроводимости составляет около 230 кельвин (-43 °С), — добавил Артем Оганов.
Предел температуры
По словам заведующего отделом высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН, член-корреспондента РАН Владимира Пудалова, успехи российских ученых в поиске новых соединении с высокотемпературной сверхпроводимостью играют колоссальную роль в развитии науки.
— Еще в 1970-е годы все мы жили с убеждением, что предельная температура сверхпроводимости составляет 23 кельвин (-250 °C) и повысить ее мы не в состоянии. И это был настоящий застой в данной научной области. Теперь же мы видим куда более оптимистичные цифры, причем у веществ с самым простым типом сверхпроводимости, которая достигается за счет колебаний кристаллической решетки, — отметил Владимир Пудалов.
Во избежание взрыва
Реакцию специалистов-практиков на открытие новых сверхпроводников также можно назвать положительной. Однако они более сдержанны в своих оценках, поскольку для практического использования таких материалов необходимо добиться их работоспособности при меньшем давлении (например, в современной промышленности применяются гидравлические системы, работающие при давлениях до тысячи атмосфер). Таким образом, если ученым удастся открыть вещества, высокотемпературная сверхпроводимость которых будет наступать до этого предела, их уже можно будет использовать.
— Главное, не забывать при этом о безопасности, поскольку система с таким сверхпроводником потребует очень прочного корпуса, предохраняющего ее от возможного взрыва, — считает ведущий исследователь инновационной компании «СуперОкс» Владислав Калитка. — На мой взгляд, на практике высокотемпературные сверхпроводники смогут составить конкуренцию системам с жидким азотом при достижении рабочих давлений в десятки атмосфер — скорее всего, именно при таких условиях их широкое применение станет экономически целесообразным.
По мнению Владислава Калитки, открытие сверхпроводящих гидридов урана и дальнейшая работа с соединениями тория значительно приблизила условия эксплуатации высокотемпературных сверхпроводников к оптимальным параметрам.
— Давление в 60 тыс. атмосфер — это очень хороший результат по сравнению с теми полутора миллионами, которые ранее показывали эксперименты с H3S, — считает эксперт.
Основной же вклад российских ученых состоит в том, что новые данные по актиноидам позволили отследить общие закономерности образования сверхпроводниковых гидридов. Использование этих знаний должно ускорить поиск материалов для практического применения в будущем.
Справка «Известий»Сверхпроводимость — это состояние материалов, при котором они обладают строго нулевым электрическим сопротивлением. Данное явление имеет квантовую природу и характеризуется полным вытеснением магнитного поля из проводника (эффект Мейснера).
Ученые уже около полувека пытаются найти особые — металлические — формы водорода, которые, согласно теоретическим прогнозам, будут иметь сверхпроводящие свойства при температурах близких к комнатным. Однако для того, чтобы их получить, требуется среда с колоссальным давлением, которое должно достигать порядка 4 млн атмосфер. На сегодняшний день эта техническая задача практически невыполнима даже в рамках экспериментов, не говоря уже о практическом применении. Единственный способ снизить требуемое количество атмосфер — использовать не чистый водород, а его соединения с другими элементами, атомы которых будут оказывать на него дополнительное (химическое) давление на молекулярном уровне. Вместе с тем эти вещества должны содержать достаточное число атомов водорода и напоминать его структуру в металлическом состоянии.