ثنائي طبقات النيكلات: فئة جديدة من المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية

limitations الفائقة التوصيل

الكهرباء هي واحدة من التكنولوجيات الأكثر تحولا في التاريخ، مما يسمح بنقل شكل مفيد من الطاقة على مسافات طويلة. ولكن كل نظام كهربائي “عادي” يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد الحرارة عند تطبيق تيار كهربائي.

توجد بديلة: المواد الفائقة التوصيل. المواد الفائقة التوصيل لها مقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية جدا بدون توليد الحرارة.

بدون الفائقة التوصيل، لن يكون من الممكن العديد من التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك معجلات الجسيمات (على سبيل المثال، سيرن)، ومسح الأشعة المغناطيسية، وقطارات ماجليف.

الفائقة التوصيل ستكون مكونا حاسما في أكثر المشاريع الواعدة والابتكارات التكنولوجية، مثل ايتر والاندماج النووي، محركات الكتلة، الحواسيب الكمومية، وغيرها.

يمكن أن تكون أسلاك الطاقة الفائقة التوصيل بدون خسارة حاسمة في تطوير الاتصالات الشبكية الفائقة الطول لمساعدة إنتاج الطاقة المتجددة على تحمل الظروف الجوية واختلافات التوقيت، وحل بعض قيود طاقة الشمس والرياح.

مصدر: XOT Metals

然而، الفائقة التوصيل تم استغلالها حتى الآن فقط للمواد التي تظهرها عند درجات حرارة منخفضة جدا، قريبة من الصفر المطلق. أو ضغط عال جدا.

هذا يجعلها لا تصلح إلا للتطبيقات الأكثر طموحا (مثل ماجليف، ومسح الأشعة المغناطيسية، وغيرها)، وأيضا مكلفة جدا، مما يجعلها غير اقتصادية للتطبيقات الكبيرة التي يمكن أن تستفيد من المواد الفائقة التوصيل أو الاستخدام على نطاق واسع.

طرق عديدة للفائقة التوصيل

يبدو الآن أن المادة المنتجة تحت ضغط عال قد تكون قادرة على الحفاظ على بعض خصائص الفائقة التوصيل عند ضغط أقل، من خلال طريقة تجريبية تسمى بروتوكول الضغط-الانحلال (PQP).

最近، الطبقة الملتفة من WSe₂ (تنجستن سيلينيوم) ظهرت كمرشح جيد للمواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى.

لذلك، بعد سنوات من التقدم البطيء، يبدو أن الفيزيائيين ي开始ون في فتح طرق جديدة تماما لإنشاء مواد فائقة التوصيل. وأضيف الآن واحد جديد إلى القائمة، مع عائلة جديدة من المواد الفائقة التوصيل التي تحتوي على النيكل.

الباحثون الصينيون في جامعة العلوم والتكنولوجيا الجنوبية في شينزين وجامعة تسينغهوا اكتشفوا أن المواد الفائقة التوصيل ثنائية الطبقات النيكلات ت conducts الكهرباء بدون مقاومة، فوق الصفر المطلق وبدون ضغط.

نشروا نتائجهم في المجلة العلمية المحترمة نيتشر، تحت عنوان “بداية الفائقة التوصيل عند الضغط المحيط فوق 40 كلفن في أفلام (La,Pr)3Ni2O7”.

مواد فائقة التوصيل غير باردة جدا

الفائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية قد تصبح خيارا في يوم ما، ولا سيما مع حالة LK-99 الغامضة (شكل من أشكال الباتيت النحاسي-الرصاصي)، وهو نوع جديد من المواد الفائقة التوصيل عند الضغط المحيط ودرجة حرارة الغرفة.

كان الادعاء على الفور موضع خلاف ونقده كخدعة أو خطأ في القياس، ولكن ثم اكتشف باحثون آخرون أن هناك شيء يحدث بعد كل شيء.

ولكن هذا ليس الفئة الوحيدة من المواد الفائقة التوصيل التي يمكن أن تعمل عند درجات حرارة دافئة.

تم اكتشاف مؤخرا أن هناك مجموعتين من السيراميك (الكوبراتات القائمة على النحاس والبنكتيدات القائمة على الحديد) تعمل كمواد فائقة توصيل غير تقليدية تعمل عند ضغط الغرفة ودرجات حرارة تصل إلى 150 كلفن (-123 درجة مئوية / -189 درجة فهرنهايت).

مصدر: Materials Today

الآن، يبدو أن النيكلات هي الانضمام إلى هذه السيراميك لإنشاء مادة تعمل كمواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى.

في حين أنها ليست دافئة جدا، إلا أنها أسهل في الوصول إلى درجة حرارة من المواد الفائقة التوصيل الحالية. على سبيل المثال، سوف تحتاج مغناطيسات الفائقة التوصيل في ايتر إلى تبريد قريب من الصفر المطلق بالهليوم السائل، وهو إجراء مكلف جدا ومتطلب للطاقة.

بشكل عام، هذا يشير إلى أن المواد الفائقة التوصيل من المرجح أن تصبح أكثر شيوعا في الأجل المتوسط، حيث يتم اكتشاف أشكال أكثر من هذه المواد وتجربتها.

مواد فائقة التوصيل النيكلات

اكتشف النيكلات لخصائص الفائقة التوصيل في عام 2019 من قبل دانفينغ لي، فيزيائي في جامعة مدينة هونغ كونغ، وزميله. في عام 2023، أظهر فريق آخر الفائقة التوصيل في النيكلات عند درجات حرارة أعلى، ولكن تحت ضغط عال.

مصدر: نيتشر

ولكن في ديسمبر 2024، تم الكشف عن النيكلات لأول مرة لفقدان المقاومة عند درجة حرارة حرجة وطرد الحقول المغناطيسية، وكلاهما من المؤشرات القوية على الفائقة التوصيل.

لتحقيق هذا النتيجة، تم نمو أفلام من La2.85Pr0.15Ni2O7 (اللانثانوم-البراسيوديميوم-النيكل) باستخدام تقنية تسمى التأكسد الذرعي المتعاقب بالطبقات الكبيرة (GOALL-Epitaxy). تم تطوير هذه التقنية من قبل نفس فريق الباحثين وتوفر عدة أوامر من حيث القوة للتأكسد والدقة في إنتاج طبقات المواد على المستوى الذري.

مصدر: Research Gate

تم استخدام طرق تحليلية متقدمة لدراسة المركب النيكلي، بما في ذلك صور المجهر الإلكتروني النفقي وخرائط الفضاء التكراري بالأشعة السينية (RSMs).

كشفت عن ظهور طور رباعي في طبقة أكسيد النيكل، والتي قد تكون مسؤولة عن تدفق الإلكترونات بحرية في الشروط المناسبة.

تحسين المواد الفائقة التوصيل

الطريقة المستخدمة كاختبار أولي لتحسين خصائص النيكلات يمكن تحسينها. يجب أن يؤدي هذا إلى العديد من الاختبارات لرفع درجة حرارة هذه المواد الفائقة التوصيل.

“هناك أمل كبير أن نتمكن في النهاية من رفع درجة الحرارة الحرجة وجعل هذه المواد أكثر فائدة للتطبيقات.”

دانفينغ لي – فيزيائي في جامعة مدينة هونغ كونغ.

التحليل يشير إلى أن العملية التي تعطي النيكلات الفائقة التوصيل تشبه تلك التي تؤثر على الكوبرات (المصنوعة من النحاس).

”زيادة هذه هي الأولوية. الفريق يحاول عدة حيل لتعديل كيفية نمو المواد وتركيبتها الدقيقة.”

التجارب قبل النظرية

يجب أن يلاحظ أن النتائج الحديثة المتعلقة بالمواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى، أو حتى المواد الفائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة، تقدمت على الفيزياء النظرية في هذا المجال.

لذلك، لا يزال السبب في ذلك لغزا. لا يوجد حتى الآن تفسير كامل لسبب عمل هذه المواد كمواد فائقة التوصيل، وأقل من ذلك طريقة تنبؤية لتحديد المادة التي قد تظهر هذه الخصائص.

حتى الآن، كان الحاجة إلى ضغط عال أو شروط باردة جدا قد عرقلت دراسة هذه المواد، لأنها كانت صعبة الاختبار عندما تكون الفائقة التوصيل فقط في مشد الماس أو الهليوم السائل.

الشروط الأسهل في الحفاظ عليها يجب أن توفر المزيد من المرونة للعلماء لدراسة هذه المواد و تعديلها.

لذلك، يبقى هناك الكثير من المجال للتحسين، ويفهم أفضل لهذه المواد، مع مساعدة الذكاء الاصطناعي، يجب أن يساعد في المضي قدما.

يجب أن يجذب هذا المزيد من الباحثين للعمل في هذا المجال والمزيد من الشركات لتخصيص ميزانيات البحث والتطوير لهذه المشاريع، مما يسرع من وتيرة التقدم.

تطبيقات المستقبل

مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية سيكونون مادة عجائب إذا فهمت جيدا لتصنيعها على نطاق واسع.

الأثر الفوري الأول سيكون تقليل تكلفة المعدات التي تستفيد بالفعل من الفائقة التوصيل، مثل مسح الأشعة المغناطيسية، و قطارات ماجليف، و توربينات ومحولات متقدمة، ومعجلات الجسيمات، ومفاعلات الاندماج التجريبية، وغيرها.

سيكون من الممكن أيضا تقنيات لم تكن من الممكن حتى الآن أو كانت باهظة الثمن بسبب القيود الفنية للمواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة.

هذا يشمل قطارات هайبرلوب، محركات الكتلة للوصول إلى المدار، الاندماج النووي التجاري، ووصلات الشبكة القارية، وغيرها. كل هذه التكنولوجيا ستغير مسار الحضارة البشرية للأبد.

رواد حلول الفائقة التوصيل

شركة أمريكان سوبركوندكتور

AMSC هي شركة توفر حلولا للطاقة للشبكة، والسفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كانت النظام أكثر استهلاكا للطاقة أو أكبر، كلما احتاج إلى تكنولوجيا الفائقة التوصيل لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.

على الرغم من اسمها، توفر AMSC أنظمة فائقة التوصيل، ولكن أيضا، على سبيل المثال، ناقلات التروس لتوربينات الرياح.

الشركة تتنقل على عدة محركات نمو، من اتجاه الكهربة، والتحول الرقمي (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، ولكن أيضا إعادة بناء القدرات التصنيعية الأمريكية، واحتياج القوات البحرية للناتو لتحديثها استجابة للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.

مصدر: شركة أمريكان سوبركوندكتور

في قطاع الإمداد بالطاقة، شهدت AMSC زيادة مستمرة في الطلبات. هذا كان مدفوعا بالfabs السेमيكونداكتور التي تبحث عن الحماية من انقطاعات الشبكة، ومساعدة الشبكة في التعامل مع طابع الرياح والطاقة الشمسية المتقطع، والطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.

مصدر: شركة أمريكان سوبركوندكتور

في قطاع توربينات الرياح، AMSC هي في الغالب نشطة مع نظام التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيا، كان ECS قطاعا قويا للشركة مع توربينات الرياح 2MW، ولكنها انخفضت تدريجيا. تهدف AMSC إلى عودة الرياح بفضل تصميم التوربينات 3MW الجديد، مع تركيز خاص على السوق الهندي.

مصدر: شركة أمريكان سوبركوندكتور

对于 السفن العسكرية، توفر AMSC “نظام AMSC الفائق التوصيل لمكافحة الألغام المغناطيسية”، وهو نظام لتعديل التوقيع المغناطيسي للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. تم بيع هذا النظام للقوات البحرية الأمريكية والكندية والبريطانية، مع قيمة الطلبات تصل إلى 75 مليون دولار.

بشكل عام، AMSC تفعل أفضل ما يمكنها في استغلال تكنولوجيا الفائقة التوصيل في التطبيقات المتخصصة التي تصلح لها اليوم، في حين أنها على الأرجح مستعدة لنشر المزيد من التقدم في المستقبل. يجب أن يلاحظ أيضا للمستثمرين أن الأسهم قد شهدت تقلبات كبيرة في الماضي، وبالتالي يجب حساب المخاطر وفقا لذلك.

أحدث أخبار شركة أمريكان سوبركوندكتور

مرجع الدراسة:

^{1.zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) بداية الفائقة التوصيل عند الضغط المحيط فوق 40 كلفن في (La,Pr)3Ni2O7 نيتشر. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}