vật liệu siêu dẫn - công nghệ nano

Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực họcTrong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằ

Bài tiểu luận: Vật liệu siêu dẫn - công

nghệ nano

MỤC LỤC

a Siêu dẫn nhiệt độ cao 1

b Hiệu ứng Meissner 2

c Lý thuyết BCS 2

B.VẬT LIỆU NANO 14

Cấu trúc 15

Một số thông số vật lý của nanoclay 17

Biến tính nanoclay 17

 Các loại ống nano cacbon 20

 Đơn lớp Cách đặt tên ống nano (n,m) có thể tưởng tượng như là một vector (Ch) trong một tấm than chì vô hạn mà mô tả cách "cuộn" tấm than chì để tạo ống nano T thể hiện trục của ống, và a1 với a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực 20

 Đa lớp 23

 Fullerite 24

 Torus 25

Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường

đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner) Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực họcTrong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữamột số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan Ngoài

ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng) Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao

a Siêu dẫn nhiệt độ cao

Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển

pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên Các hiện tượng này được khám phá từ thập kỷ

1980 và không thể giải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó

Siêu dẫn ở nhiệt độ cao

b Hiệu ứng Meissner

Một nam châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới

−200°C, thể hiện hiệu ứng Meissner

Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ thông bị đẩy ra

hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo Từ thông sinh ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông ở môi trường ngoài Do

đó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0 Hiện tượng này được khám phá bởi Walther Meissner và Robert Ochsenfeld vào năm 1933

c Lý thuyết BCS

Lý thuyết BCS là mô hình lý thuyết vi mô được ba nhà vật lý John Bardeen, Leon

Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957 để giải thích hiện tượng siêu dẫn Lý thuyết này giải thích rất thành công những tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực học của hệ Lý thuyết này cũng rất tương thích với một mô hình định tính khác là "lý thuyết Ginzburg-Landau"

Ý tưởng cơ bản của mô hình này là khi trong hệ xuất hiện lực hút giữa các điện tử, trạng thái điện tử cơ bản của hệ chất rắn trở nên không bền so với trạng thái mà trong đó có xuất hiện cặp điện tử với spin và xung lượng trái ngược

Lực hút giữa các điện tử này là do nguyên nhân tương tác giữa điện tử với các mode biến dạng của tinh thể mạng (phonon) Ta có thể hình dung, khi một điện tử chuyển động,

tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện tử đi theo sau đó

sẽ dễ dàng chuyển động hơn trong tinh thể Hai điện tử này tạo thành một cặp điện tử Cooper Từ tương tác điện tử với các phonon ta có thể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử

Với giả thiết trên về tương tác hút giữa các điện tử, bằng phương pháp trường trung bình

ta có thể giải được mô hình và thu được những kết quả định lượng

John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1972 nhờ công trình này Tuy nhiên lý thuyết BCS chỉ áp dụng đúng cho các chất siêu dẫn cổ điển có nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp Sau phát minh về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cho đến nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào giải thích các hiện tượng này

Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn sự phụ thuộc đối với kim lọai khác Khi nhiệt độ thấp,địên trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng siêu dẫn, và Tc

là nhiệt độ tới hạn

Đến tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz tình

cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K

Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K

Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra đượcmột số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền

Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo

Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi) Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật

liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.

3.Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn

 Chuyển tải điện năng

 Đoàn tầu chạy trên đệm từ

 Tạo ra Máy gia tốc mạnh

 Máy đo điện trường chính xác

 Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc

 Máy quét MRI dùng trong y học

3.1 chuyển tải điện năng

Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lý, vật lý năng lượng cao, tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác không thể có được nếu không sử dụng rộng rãi những thiết trí ứng dụng hiện tượng siêu dẫn

Trong thuật ngữ kỹ thuật, vật liệu siêu dẫn được chia thành hai loại: Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp (VSNT) hoạt động ở mức nhiệt độ hêli và các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) có khả năng hoạt động ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (~ 77 K)

Trong số rất nhiều hợp kim và hợp chất VSNT có thể có, sau gần bốn mươi năm tiến hành lựa chọn, người ta đã xác định được hai vật liệu đầu bảng là hợp kim Nb -Ti được biến dạng và hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn, về nguyên tắc thoả mãn được những đòi hỏi chủ yếu của ngành điện và điện vật lý Chính các vật liệu Nb -Ti và Nb3Sn tại nhiệt độ làm việc từ 1, 8 đến 8 K thực tế đảm bảo mức yêu cầu trên toàn bộdải từ trường và mật độ dòng làm việc trong các thiết trí kỹ thuật điện và điện vật lý

Những VSNC chính đang được sử dụng ngày nay là những vật liệu trên cơ sở các hợpchất: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cu2CXu3Ox (Bi - 2223) và YBa2Cu3O7 (Y-123)

Các chất siêu dẫn trên cơ sở của hợp chất Bi -2212 do nhiệt độ tới hạn tương đối thấp (90 K) không có ý nghĩa để sử dụng ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng ở các nhiệt độ từhêli đến hyđrô, chúng có khả năng tải dòng vượt trội hơn các vật liệu nhiệt độ thấp

trong các từ trường mạnh (NbTi; Nb3Sn) ở nhiệt độ 4, 2 K Về kết cấu, dây dẫn Bi

-2212 được chế tạo bằng phương pháp "bột tán - trong ống" chủ yếu ở dạng băng (dải)

và đôi khi ở dạng các dây xoắn trong lớp vỏ bọc bằng bạc hoặc hợp kim bạc

Chất siêu dẫn Bi -2223 khi chế tạo ít đòi hỏi về mặt công nghệ hơn so với Bi -2212, tuy nhiên nhiệt độ tới hạn 107 K cho phép đạt được ở các nhiệt độ của nitơ (~ 77 K) mật độ dòng điện tới 108 A/m2 trong từ trường của dòng điện bản thân nó Khi giảm nhiệt độ tới 35 K, vật liệu hoạt động hoàn toàn có hiệu quả (mật độ dòng ở mức 108 A/m2) với độ cảm ứng của từ trường đạt tới gần 5 T (tesla) Công nghệ chế tạo tương

tự như Bi -2212

Để nghiên cứu triển khai kỹ thuật, người ta sử dụng các phần tử tải dòng trên cơ sở hợp chất Bi -2223 trong vỏ bọc bằng bạc và các dây dẫn trên cơ sở hợp chất Y -Ba-Cu-O Dây dẫn compozit trên cơ sở hợp chất Bi -2223 được sử dụng cho dải các trường dưới 0, 5 T ở 77 K Các vật liệu trên cơ sở hợp chất Y-Ba-Cu-O có khả năng làm việc trong trường từ tới 5 T ở 77 K hiện nay đã bắt đầu được tăng cường nghiên cứu triển khai cho các thiết trí kỹ thuật điện sắp tới, kể cả các bộ tích trữ năng lượng Đến ngày nay đã tạo ra được công nghệ sản xuất những sản phẩm lớn Y -123 và các

bộ phận bằng bitmut (các phần tử tải dòng hình xuyến) Đã bắt đầu chế tạo các vật liệu khối lớn, những vật liệu này ở chế độ trường đông lạnh có khả năng cạnh tranh được với các nam châm vĩnh cửu như Nd -Fe-B

Chất siêu dẫn trên cơ sở hợp kim Nb -Ti biến dạng

Các dây dẫn trên cơ sở các hợp kim Nb -Ti đang chiếm ưu thế trên thị trường vật liệu siêu dẫn toàn thế giới

Các hợp kim của hệ thống Nb -Ti có trị số tối đa về trường tới hạn trên ~ 11 T và nhiệt độ tới hạn ~ 9, 85 K Thông thường, các chất siêu dẫn Nb -Ti được sử dụng trong các trường 1 - 8 T ở nhiệt độ 4,2 - 4, 5 K Trong công nghiệp chế tạo, người ta lựa chọn hợp kim Nb -Ti (46 - 48,5% khối lượng)

Dây compozit trên cơ sở hợp kim Nb -Ti là compozit chứa các sợi Nb - Ti được phân

bố trong ma trận bằng đồng siêu tinh khiết hoặc hợp kim điện trở trên cơ sở đồng Trong thành phần compozit có thể có các vật liệu khác được sử dụng để làm các rào khuyếch tán và điện trở (Nb, Cu-Ni, Cu-Mn) Chuỗi dây compozit Nb -Ti rất rộng, từ các dây đường kính 0,3 - 1, 5 mm với 6 - 100 sợi kích thước 25 - 100 mm tới các dây compozit đường kính 0,1 - 0, 25 mm chứa khoảng 106 sợi kích thước 0,1 - 0,5 mm trong ma trận bằng các hợp kim điện trở Số lượng đáng kể các dây dẫn Nb -Ti đườngkính 0,65 - 0, 85 mm với các sợi 6 - 10 mm để chế tạo hệ thống từ của máy gia tốc cần thiết cho sự phát triển của ngành vật lý năng lượng cao

Đến nay, công nghệ chế tạo các chất siêu dẫn Nb -Ti đã khá hoàn thiện Mật độ dòng tới hạn đạt được trong sản xuất hàng loạt các dây với đường kính sợi 6-10 mm là 3.103 A/mm2 trong trường 5 T Giá thành các chất siêu dẫn Nb -Ti thuộc cấp này vàokhoảng 150 USD /kg

Đối với các thiết trí bằng chất siêu dẫn vận hành ở dòng điện tần số công nghiệp, đã nghiên cứu triển khai các dây dẫn Nb -Ti đường kính 0,15 - 0, 2 mm với mức tổn thấtthấp chứa các sợi siêu mỏng đường kính 0,1-0,2 mm được phân bố trong ma trận bằng các hợp kim điện trở Cu -Ni hoặc Cu -Mn ở tần số 50 Hz và biên độ trường ± 5,5 T, mật độ dòng tới hạn trong các dây dẫn đó là 2,1-3,3.103 A/mm2, mức tổn thất

từ trễ là 1,3-2,9 kW/m3 Giá thành các chất siêu dẫn cấp này là trên 1.000 USD /kg (±

0, 5 T ở tần số 50 Hz) Cả mức tổn thất năng lượng tương đối cao ở nhiệt độ 4, 2 K cũng như giá thành vật liệu này là những yếu tố kìm hãm sự phát triển các công trình chế tạo VSNT cho các thiết trí kỹ thuật điện vận hành ở tần số công nghiệp

Các nhà sản xuất chính các chất siêu dẫn Nb -Ti trên thế giới là: Oxford Instrument (OST), Outokumpu US, Magnex Ltd, Wang NMR (Mỹ); Alstom Power Conversation(Pháp); European Advanced Superconducters (EAS) Europa Metalli (Ý); OutokumpuPoricopper Oy (Phần Lan); Furu - Kawa; Hitachi Cable; Sumitomo; Kobe Steel (NhậtBản)

Chất siêu dẫn trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn

Để sử dụng trong thực tế ngành điện, người ta cũng quan tâm tới các chất siêu dẫn nhiều sợi trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn (nhiệt độ tới hạn quá độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn là ~ 18,6 K, có khả năng làm việc trong các từ trườngcao với độ cảm ứng từ 20 - 24 T) Thông thường, kết cấu các chất siêu dẫn compozit trên cơ sở Nb3Sn phức tạp hơn so với các chất siêu dẫn Nb -Ti Theo công nghệ

"đồng thanh" dựa trên sự khuyếch tán pha rắn của thiếc từ ma trận Cu -Sn vào các sợiniobi (Nb) trong thời gian dài xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 - 800 oC người ta thu được các dây dẫn kết cấu khác nhau với chiều dài trên 10 km và số lượng sợi tới 2.104 Riêng lớp siêu dẫn với độ dầy cỡ micromét được sắp xếp ở lớp biên phân cách giữa sợi niobi và ma trận đồng thanh

Các dây siêu dẫn nhiều sợi được chế tạo theo công nghệ "đồng thanh" có độ ổn định cao về các tính chất siêu dẫn và tổn thất năng lượng từ trễ tương đối thấp Chúng có mật độ dòng tới hạn (Jc) tới 900 A /mm2 (12 T; 4,2 K) và mức tổn thất từ trễ (Q) tới

400 mJ /cm3 (± 3 T) Các dây siêu dẫn loại này được các hãng sau đây sản xuất: EAS(trước đây là hãng Vacuumschmelze) ở Đức và Furukawa, Hitachi, JASTEC (trước đây là Kobe Steel) ở Nhật Bản Giá thành dây dẫn này tùy theo các đặc tính kỹ thuật,

đối với mức tổn thất từ trễ của dây dẫn Thí dụ, khi cần phải đảm bảo tổn thất ở mức

£ 250 mJ/cm3 thì mật độ dòng tới hạn tại tiết diện không có đồng là 750 - 900

A/mm2 (12 T; 4 K) Khi không có các đòi hỏi về tổn thất từ trễ Jc (12 T; 4,2 K) thì mật độ dòng tới hạn có thể đạt tới 2.500 - 3.000 A/mm2 Giá thành chất siêu dẫn loại này tới 1.200 USD /kg (12 T; 4,2 K) tùy theo các đặc tính kỹ thuật

Tính giòn tăng cao của hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn là hạn chế đáng kể đối với mức biến dạng cho phép của dây compozit khi chế tạo các cuộn dây Vì lý do đó trong hàng loạt trường hợp người ta áp dụng công nghệ "Quấn dây - ủ dây", nghĩa là cuộn dây được chế tạo bằng dây "chưa tinh chế", sau đó được ủ bằng khuyếch tán nhiệt Thời gian xử lý nhiệt bằng khuyếch tán sau khi quấn dây là 60 giờ, ngắn hơn đáng kể so với các công nghệ khác

Từ năm 1992, hãng Shape Metal Innovation (SMI) đã chế tạo các chất siêu dẫn theo công nghệ này Hãng này đã đạt được trị số mật độ dòng tới hạn (Jc) trên 1.500 A /mm2 (12 T; 4,2 K), tổn thất từ trễ dưới 400 mJ /cm3 Giá thành của chất siêu dẫn loại này lên tới 690 USD /kg (12 T; 4,2 K)

Dây siêu dẫn nhiều sợi trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại NbJAI ít bị suy giảm về các đặc tính tới hạn dưới tải Một số hãng Nhật Bản đang nghiên cứu triển khai loại chất siêu dẫn này Đến nay các hãng đó mới chỉ chế tạo được trong phòng thí nghiệm

và giá thành hiện nay còn rất cao

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc các thế hệ thứ nhất và thứ hai

Ngày nay ở các nước phát triển (Mỹ, châu Âu, Nhật) và hàng loạt các nước đang pháttriển (Trung Quốc, Hàn Quốc) đang diễn ra bước quá độ từ giai đoạn nghiên cứu triển khai sang giai đoạn sản xuất công nghiệp với sản lượng tương đối lớn các vật liệu siêu dẫn kỹ thuật trên cơ sở các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) và thử nghiệm chúng với việc chế tạo hàng loạt các thiết trí mẫu kỹ thuật điện ở nhiệt độ cựcthấp như cáp điện lực, bộ dẫn dòng, bộ hạn chế dòng, máy biến áp, động cơ và máy phát điện, các hệ thống từ, v.v

Rất nhiều công ty hàng đầu như AMSC (Mỹ), EAS, Trithor (Đức), Sumitomo

Electric Industry (SEI), Furukawa, Hitachi (Nhật), Innova ST (Trung Quốc), có sản lượng dây dẫn VSNC đạt tới 1.000 km mỗi năm Nhiều dự án xây dựng các xí nghiệpcông nghiệp đang được tích cực thực hiện với sản lượng lên tới 20.000 km một năm (AMSC - Mỹ) Khối lượng vốn đầu tư của cả tư nhân, cũng như của nhà nước cho việc nghiên cứu triển khai các công nghệ này ở Mỹ lên tới 100 triệu USD mỗi năm.Cho đến nay, phương pháp chế tạo hoàn chỉnh nhất về mặt kỹ thuật đối với các VSNC ở dạng dây compozit dài là phương pháp "bột tán trong ống" Phương pháp này cho phép dễ dàng thay đổi kết cấu dây dẫn cho các công dụng khác nhau và chế tạo được những dây siêu dẫn liền sợi dài tới vài kilômét (dây VSNC thế hệ thứ nhất, hoặc dây siêu dẫn 1-G) Những thành công lớn nhất đạt được trong việc áp dụng phương pháp này thích hợp với việc chế tạo các vật liệu siêu dẫn dạng băng trên cơ

sở hợp chất (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-d (Bi-2223) Hợp chất này ở giai đoạn đầu của

công nghệ chế tạo được đổ vào ống bằng bạc hoặc hợp kim bạc ở dạng bán thành phẩm bột tán.

ở nhiều nước đã hình thành việc chuyên môn hóa các hãng sản xuất bán thành phẩm như Nexans Superconductor (Đức), Superconductor Components, Seatle

Superconductors (Mỹ), v.v và về chế tạo, cung cấp thành phẩm - các dây siêu dẫn đoạn dài cho những công dụng cụ thể Trong số những hãng nổi tiếng trước hết phải

kể đến AMSC (Mỹ), Innova ST (Trung Quốc), Sumitomo Electric Industry (Nhật), EAS, Trithor (Đức)

Đặc tính các dây dẫn do các hãng kể trên chế tạo theo các số liệu năm 2005 được trình bày trong bảng 1 Giá của các dây dẫn Bi -2223/Ag cho mức nhiệt độ 77 K sẽ giảm đáng kể vào năm 2010

ở Nga, trong điều kiện cấp kinh phí hiện nay mới chỉ sản xuất thí nghiệm các

compozit Bi -2223/Ag

Các compozit VSNC chế tạo theo phương pháp "bột tán trong ống" có dòng công tác không cao, bị hạn chế về từ trường ở 77K, và giá thành cao, do vậy người ta nghiên cứu triển khai các compozit đoạn dài trên cơ sở hợp chất Y -Ba-Cu-O trên các phần

tử mang - nền đệm (thường là niken và các hợp kim niken) kim loại đoạn dài Các chất siêu dẫn này mang tên "VSNC thế hệ thứ hai" hoặc các chất siêu dẫn 2-G

3.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ

Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và người Đức thiết kế ra các đoàn tầu chạy trên

đệm từ Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3 - 4 công nghệ tầu chạy trên đệm từ khácnhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện phép nâng điện - động lực học bằng cách tạo

ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trên con tầu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông

Sau đây là một hình mẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba,

có thông số kỹ thuật: tầu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu chở 100 khách chạy trong một giờ Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cm khỏi đường ray Đường ray có mặt cắt hình chữ U, trên nó có lắp 3 cuộn dây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tầu Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những bình chứa Helium đã hoá lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ,khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tầu bổng lên trong khung đường ray chữ U

Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa hai cực Nam - Bắc của cuộn giây và nam châm, con tầu cứ thế tiến lên phía trước Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng điện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm điều khiển Để hãm tầu, người ta làm cách hãm như trên máy bay Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừa High Một con tàu của Nhật ứng dụng hệ thống

Speed Surface transport - HSST (Ảnh: bobbea)

thử nghiệm trong 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD Hệ thống trên đôi khi còn được gọi

là hệ thống "Vận tải trên bộ tốc độ cao" (High Speed Surface transport - HSST).

+ Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tầu "Transrapid" chạy trên đệm

từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo công nghệ hơi khác người Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tàu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tầu hình chữ

T Ước vận tốc đạt 450 km/giờ chạy trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6

tỷ USD Ngoài ra, người Pháp cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên

bộ bằng siêu dẫn

3.3 máy gia tốc mạnh

Máy gia tốc hạt vòng xuyến

+ Một ứng dụng quan trọng khác nữa là, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó

nghiên cứu những "mảnh" sinh ra do những va đập mạnh đó; người ta gọi đó là "siêu va

đập siêu dẫn", dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một "máy gia tốc cực mạnh" trong đường hầm dài 88 km ở bang Texec để nghiên cứu các

hạt cơ bản của vật chất

3.4Máy quét MRI dùng trong y học

các nhà khoa học khai thác hiện tượng siêu dẫn trong các ứng dụng đặc biệt như máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ (MRI) và máy tạo sự

va đập của các hạt vật lý năng lượng cao, được làm lạnh bằng Heli lỏng Nhưng các ứng dụng thông dụng hơn như việc thay thế hệ thống đường dây điện bằng các loại dây siêu dẫn vẫn chưa thể thực hiện được nếu không có các vật liệu có khả năng siêu dẫn ở nhiệt

độ cao hơn

3.4 ứng dụng khác

một ứng dụng vô cùng quan trọng nưa là khả năng giữ được trạng thái thứ tư cua vật trạng thái plasma Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear reactions) vớikhả năng tạo ra một năng lượng khổng lồ, hãy thử hình dung năng lượng được tạo ra dophản ứng nhiệt hạch từ một gam D-T tương đương với năng lượng từ 10000 litsdầu.Nhưng ở trạng thái plasma với thành phần chủ yếu là Hidro nà hêli và nhiệt độkhoảng 60000C sẽ không co loại vật liệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn nănglương này Với khả năng ưu việt của mình các Ions và electrons quay xung quanh cácđường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasma trongcác lò phản ứng hạt nhân

liệu-Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo

Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi) Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch

4.1 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên nền sắt đầu tiên

Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xác hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như thế nào Và mới đây, cácnhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn mới dựa trên sắt (Fe) cho phép các nhà vật lý tìm hiểu dễ dàng hơn và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn

Siêu dẫn là sự biến mất hoàn toàn của điện trở của vật liệu khi được làm lạnh dưới nhiệt

độ chuyển pha siêu dẫn (TC) Hiện tượng siêu dẫn dựa trên việc tạo ra các cặp điện tử tương hỗ với nhau, thông qua tạo thành các cặp gọi là gặp Cooper để chuyển dời trong vật liệu mà không bị cản trở (không có điện trở) Hiện tượng này được miêu tả trong lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) về hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, ở đó các cặp Cooper được nhờ việc liên kết các điện tử với nhau thông qua trao đổi các phonon (hạt trường của dao động mạng tinh thể)

Tuy nhiên, lý thuyết BCS không thể lý giải được các tính chất của các chất siêu dẫn nhiệt

độ cao, được khám phá từ năm 1986 (giá trị nhiệt độ chuyển pha cao nhất hiện nay đạt tới

138 K), và các hợp chất này hầu hết đều là các hợp chất của đồng (cuprates) chứa các mặtphẳng song song của ôxit đồng mà ở đó các nguyên tử đồng nằm trên một mạng hình vuông và điện tích được mang bởi các lỗ trống ở vị trí của Ôxi Mỗi nguyên tử đồng sẽ cómột điện tử không kết cặp và do đó các nhà nghiên cứu tin rằng mômen từ (hay spin) liênkết với nhau sẽ tạo ra tính chất siêu dẫn trong các vật liệu này

Hình 1 Cấu trúc tinh thể và phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu (J Am Chem Soc 130

3296)

Mới đây, Hideo Hosono cùng các cộng sự ở Viện Công nghệ Tokyo (Nhật Bản) lần đầu tiên khám phá ra một vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha 26 K được

dựa trên các hợp chất của sắt -Fe (có thể xem các kết quả này trên J Am Chem Soc 130

3296) Đây là hợp chất LaOFeAs chứa các lớp của Lanthanum (La) Ôxi (O) bị kẹp

giữa bởi các lớp của Sắt (Fe) và Arsenic (As) – và bị pha tạp thêm các ion Fluoride

Các nhà nghiên cứu hi vọng có thể tăng được nhiệt độ chuyển pha cao trên 26 K bằng cách thay đổi các quá trình xử lý vật liệu (ví dụ như đặt áp suất…) Các nghiên cứu sơ bộ ban đầu về vật liệu này đã giả thiết tính chất siêu dẫn xảy ra trong vật liệu không thuộc loại trung gian phonon (phonon-mediated) như được kỳ vọng từ lý thuyết cổ điển BCS, nhưng có thể không giống như được dự đoán trong các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao

kiểu “cuprates”

“Ai đó có thể cho là tính siêu dẫn trong các vật liệu kiểu này là trung gian phonon trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp,” – Kristjan Haule, một nhà vật lý lý thuyết ở Đại học

Rutgers (Mỹ) đang làm việc trong một nhóm cũng đang nghiên cứu về loại vật liệu này

“Tuy nhiên, chúng tôi đã tiến hành các tính toán bằng lý thuyết phiếm hàm và giả thiết

rằng TC hầu như phải xung quanh 1 K nếu như các phonon có chức năng đó” Nhóm của

Haule đã tính toán được rằng các hợp chất không pha tạp LaOFeAs có tính kim loại rất tồi ở nhiệt độ thấp và hầu như là một chất cách điện Haule nói trên Physicsworld.com:

“Đây là một bằng chứng mạnh mẽ để nói rằng tính siêu dẫn không phải được trung gian bởi các phonon, tính chất đòi hỏi phải ở trạng thái kim loại rất tốt với các hạt tải kết hợp”

-Vật liệu siêu dẫn mới này cũng là một bằng chứng để chứng tỏ rằng tính siêu dẫn không

bị hạn chế bởi các ôxit đồng và một vài hợp chất khác dựa trên Uranium (U), Cerium (Ce), Plutonium (Pu) Mặc dù tính siêu dẫn có thể bị phá hủy bởi từ trường cao, nhưng

khám phá đã chỉ ra rằng thậm chí nó có thể tồn tại trong các vật liệu có từ tính mạnh (ví

dụ như Sắt khi được bao quanh bởi các nguyên tử thích hợp, mà trong trường hợp này là As) Hơn nữa, hiệu ứng này có liên quan đến tính chất quỹ đạo của điện tử, mà thường bị

bỏ quên trong các hợp chất cuprates, cũng có thể đóng vai trò quan trọng Haule tin rằng loại vật liệu siêu dẫn mới này có thể cực kỳ quan trọng cho công nghệ nhưng vẫn rất cần nhiều nghiên cứu thêm trước khi nói gì một cách chắc chắn

SILICON siêu dẫn ở nhiệt độ phòng

Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách của ngành điện tử, đó

là tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng mà chỉ dùng các hợp chất thông thường

Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Source: Wikipedia

Đầu năm nay, TTCN đã tóm tắt về sự tiến triển trong việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn Có

lẽ bước tiến quan trọng nhất trong lĩnh vực này đã được một nhóm các nhà khoa học của Canana và Đức thực hiện thành công và đã được công bố mới đây Nhóm này đã phát triển được một hợp chất siêu dẫn ở nhiệt độ thường bao gồm silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh

Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thường là áp suất, yếu tố mà trước đây được coi là rào cản không thể vượt qua trong ngành điện tử Một số hợp chất, nếu được nén ở áp suất lớn sẽ có những đặc tính đặc biệt, trong đó có siêu dẫn

Giáo sư John Tse của Đại học Saskatchewan (University of Saskatchewan) Canada nói

"Nếu hợp chất của Hydro được đặt dưới áp suất đủ lớn thì chúng sẽ có tính siêu dẫn Tính siêu dẫn này có thể được bảo toàn ngay cả ở nhiệt độ cao, không cần được làm lạnh."

Thế nhưng trong nhiều năm nay, những cố gắng để nén Hydro đến mức cần thiết đều đi đến thất bại Những nhà nghiên cứu Canada và Đức đã tìm được chìa khóa của vấn đề màmọi người khác thất bại, đó là pha tạp Silicon vào Hydro

Chất siêu dẫn mới là một hợp chất có tên "Silane" Hợp chất này có cấu trúc tương tự Metal với nguyên tử Si thay cho nguyên tử C ở tâm

Giáo sư Tse đã phát triển phần lí thuyết của hiện tượng siêu dẫn của Silane với sự giúp

đỡ của Yansun Yao một nghiên cứu sinh tại Đại học Saskatchewan Lí thuyết này đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi nhà nghiên cứu Mikhail Eremets tại Học viện Max Planck (Max Planck Institute) Đức

Các nhà khoa học hy vọng rằng những kết quả trên sẽ nhanh chóng được áp dụng trong công nghiệp, trong đó có cả làm dây dẫn điện cho các siêu máy tính

**** CÔNG NGHỆ NANO****

A.KHÁI NỆM

“ Là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứngdụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomét

B.VẬT LIỆU NANO

Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanômét

Đây là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hailĩnh vực trên với nhau Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nanômét, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóalý của

vật liệu thông thường Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu

Kích thước vật liệu nano trải một khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vậtliệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

 Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn

chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,

điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,

 Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,

hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,

 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ

có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Vật liệu nano gồm 2 loại chính là : nanolay và ống nano carbon

1.NANOCLAY

Nanoclay (còn gọi là nano khoáng sét) được cấu tạo từ các lớp mỏng, mỗi lớp có

chiều dày từ một đến vài nanomét, còn chiều dài từ vài trăm đến vài nghìn

nanomet Loại nanoclay đầu tiên được tìm thấy trên thế giới là montmorillonit (ở Montmorillon, Pháp, năm 1874)

Montmorillonit (viết tắt là MMT) thuộc nhóm smectit, cùng với các loại khoáng khác như cao lanh, palygorskit, sepiolit, là những loại khoáng quan trọng trong công nghiệp Khoáng Smectite thường được gọi bằng cái tên bentonit, đây là tên một loại đá chứa chủ yếu loại khoáng này

Smectite là họ các khoáng trong đó bao gồm 2 loại quan trọng nhất:

 Natri montmorillonit

 Canxi montmorillonit

Cấu trúc