علوم المواد
نِكِلَات ثنائية الطبقة: فئة جديدة من الموصلات الفائقة ذات الحرارة العالية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قيود الموصلية الفائقة
Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.
هناك بديل موجود: ما يُسمى بالمواد الفائقة التوصيل. تمتلك المواد الفائقة التوصيل مقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية للغاية دون توليد حرارة.
بدون الموصلية الفائقة، لا يمكن تحقيق العديد من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN)، التصوير بالرنين المغناطيسي، وقطارات المغناطيسية.
ستكون الموصلية الفائقة مكوّنًا حاسمًا في أكثر المشاريع الضخمة والابتكارات التقنية واعدة، مثل ITER والاندماج النووي، محركات الدفع الكتلي، الحواسيب الكمومية، وغيرها.
قد تكون خطوط الطاقة الكهربائية ذات الفقد الصفري أيضًا أساسية في تطوير وصلات شبكة فائقة الطول تساعد على موازنة إنتاج الطاقة المتجددة عبر الظروف الجوية ومناطق الزمن، مما يحل بعض قيود الطاقة الشمسية والرياح.
المصدر: XOT Metals
مع ذلك، تم إتقان الموصلية الفائقة حتى الآن فقط للمواد التي تظهرها عند درجات حرارة منخفضة جدًا، قليلةً فوق الصفر المطلق، أو تحت ضغط مرتفع للغاية.
هذا يجعلها ليست فقط معقدة للغاية لتطبيقات تتطلب أعلى مستويات الدقة (مثل المغناطيسية، التصوير بالرنين المغناطيسي، إلخ) بل أيضًا مكلفة جدًا، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي قد تستفيد من مادة فائقة التوصيل أو أي استخدام واسع النطاق.
مسارات متعددة للموصلية الفائقة
It now seems that the material produced in high pressure might be able to retain some of its superconductivity at lower pressure, through an experimental method called pressure-quench protocol (PQP).
مؤخرًا، الطبقة الملتوية الثنائية من WSe₂ (التنغستن السيليني) ظهرت كمرشح مادة جيد للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة الأعلى أيضًا.
لذا بعد سنوات من التقدم البطيء، يبدو أن الفيزيائيين بدأوا يفتحون طرقًا جديدة تمامًا لإنشاء مواد فائقة التوصيل. وقد أضيف الآن نوع جديد إلى القائمة، مع عائلة جديدة من الموصلات الفائقة التي تحتوي على النيكل.
اكتشف باحثون صينيون في الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا في شنتشن وجامعة تسينغوا أن موصلات النيكل ذات الطبقتين تنقل الكهرباء دون مقاومة، عند درجات حرارة أعلى بكثير من الصفر المطلق وتحت ضغط جوي عادي.1
They published their results in the prestigious scientific journal Nature, under the title “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.
موصلات ليست باردة جدًا
High-temperature superconductivity might one day become an option, notably with the puzzling case of LK-99 (a form of copper-substituted lead apatite – CSLA), a new type of ambient-pressure, room-temperature superconductor.
The claim was immediately contested and criticized as a hoax or a measurement error, but then other researchers discovered there might be something happening after all.
But this is not the only class of superconductors that could work at warmer temperatures.
It has been recently discovered that two groups of ceramics (copper-based cuprates and iron-based pnictides) worked as unconventional superconductors that operate at room pressure and at temperatures as high as 150°K (–123°C / -189°F).
المصدر: Materials Today
الآن، يبدو أن النيكليتات تنضم إلى هذه السيراميكات لتكوين مادة تعمل كموصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى.
على الرغم من أنها ليست دافئة جدًا، إلا أن الوصول إلى درجة حرارة أقل من الموصلات الفائقة الحالية أسهل بكثير. على سبيل المثال، مغناطيسات ITER الفائقة ستحتاج إلى تبريد قريب من الصفر المطلق باستخدام الهيليوم السائل، وهي عملية مستهلكة للطاقة ومكلفة.
Overall, this indicates that superconductors are likely to become much more common in the medium term, as many more forms of them are being discovered and experimented with.
النيكليتات الفائقة التوصيل
Nickelate was discovered to have potential superconductivity properties in 2019 by Danfeng Li, a physicist at the City University of Hong Kong, and his colleague. In 2023, another team demonstrated nickelates’ superconductivity at higher temperatures, but under high pressure.
المصدر: Nature
لكن في ديسمبر 2024 تم اكتشاف النيكليتات لأول مرة تفقد مقاومتها عند درجة حرارة حرجة وتطرد المجالات المغناطيسية، وهما مؤشران قويان على الموصلية الفائقة.
لتحقيق هذه النتيجة، تم زراعة أفلام بلورية أحادية من La2.85Pr0.15Ni2O7 (لانثانوم-برسوديوم-نيكل) باستخدام تقنية تسمى النمو الضخم للأكسدة بطبقة ذرية متتالية (GOALL-Epitaxy). تم تطوير هذه التقنية من قبل نفس فريق الباحثين وتوفر أكسدة ودقة أعلى بمرتبة أضعاف عند إنتاج طبقات المادة على المستوى الذري.
المصدر: Research Gate
اُستخدمت أساليب تحليلية متقدمة لدراسة المركب القائم على النيكل، بما في ذلك صور المجهر الإلكتروني الناقل للماسح (STEM) ورسم خرائط الفضاء العكسي للأشعة السينية (RSMs).
They revealed the appearance of a tetragonal phase in the nickel oxide layer, which might be responsible for the free flow of electrons in the right conditions.
تحسين مواد الموصلية الفائقة
The method used as a preliminary test to improve the nickelate properties can be further improved. This should lead to multiple tests to further raise the temperature of these superconductors.
“There’s a huge hope that we could eventually raise the critical temperature and make such materials more useful for applications.”
Danfeng Li – Physicist at the City University of Hong Kong.
The analysis indicates that the process that gives nickelates superconductivity is similar to the one affecting the cuprates (made from copper).
”Increasing this is a priority. The team is trying various tricks to tweak how the material is grown and its precise composition.”
Zhuoyu Chen – Physicist at SUSTech
تجارب قبل النظرية
It should be remarked that the recent results regarding higher-temperature superconductors, or even potential room-temperature superconductors, are running ahead of theoretical physics in the field.
لذلك، ما يجعلها تعمل لا يزال لغزًا إلى حد كبير. لا يوجد حتى الآن تفسير كامل لسبب كون هذه المواد موصلات فائقة، ولا طريقة تنبؤية لتوقع أي مادة قد تظهر هذه الخصائص.
حتى الآن، كان الحاجة إلى ظروف ضغط عالي أو برودة شديدة قد أعاقت دراسة هذه المواد بشدة، حيث كان من الصعب اختبار أي شيء عندما تحدث الموصلية الفائقة فقط داخل أنفاس الماس أو الهيليوم السائل.
الصيانة الأسهل للظروف يجب أن تمنح العلماء مرونة أكبر لدراسة هذه المواد وتعديلها.
لذلك يظل هناك مجال واسع للتحسين، وفهم أفضل لهذه المواد، بما في ذلك بمساعدة الذكاء الاصطناعي، سيساعد على التقدم أكثر.
It should also get more researchers working in the field and more companies pouring R&D budgets on these projects, speeding up the pace of progress.
التطبيقات المستقبلية
High-temperature superconductors would be an immediate wonder-material if understood well enough for manufacturing them at scale.
التأثير الفوري الأول سيكون خفض تكلفة المعدات التي تستفيد بالفعل من الموصلية الفائقة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، قطارات المغناطيسية، التوربينات والمولدات المتقدمة، مسارعات الجسيمات، مفاعلات الاندماج التجريبية، وغيرها.
كما سيسمح بوجود تقنيات لم تكن ممكنة حتى الآن إما لأنها غير قابلة للتنفيذ أو كانت مكلفة للغاية بسبب قيود الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة.
This includes قطارات الهايبرلوب, محركات الدفع الكتلي للوصول إلى المدار, الاندماج النووي التجاري, وصلات شبكة بين القارات، وغيرها. كل واحدة من هذه التقنيات ستغير مسار الحضارة البشرية إلى الأبد.
القادة في حلول الموصلية الفائقة
AMSC مخطط السعر
AMSC هي شركة تقدم حلول طاقة لشبكة الكهرباء، السفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام أكثر استهلاكًا للطاقة أو أكبر حجمًا، كلما احتاج إلى تقنية الموصلية الفائقة لتجنب السخونة الزائدة.
على الرغم من اسمها، توفر ASMC ليس فقط أنظمة الموصلية الفائقة بل أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة نقل الحركة لتوربينات الرياح.
تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، من اتجاه الكهرباء، والرقمنة (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، ولكن أيضًا من إعادة توطين القدرات التصنيعية الأمريكية والحاجة إلى تحديث أساطيل البحريات في دول الأنجلوسفير استجابةً للمخاطر الجيوسياسية المتصاعدة.
المصدر: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]
في قطاع إمداد الطاقة، شهدت AMSC ارتفاعًا ثابتًا في الطلبات. كان ذلك مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الطاقة، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمدادات الطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.
في قطاع توربينات الرياح، تنشط AMSC أساسًا في نظام التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيًا، كان ESC قطاعًا قويًا للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 ميغاواط، لكنه تراجع تدريجيًا. تسعى AMSC إلى انتعاش بفضل تصميم توربين جديد بقدرة 3 ميغاواط، مع تركيز خاص على السوق الهندية.
المصدر: American Superconductor Corporation
بالنسبة للسفن العسكرية، توفر ASMC نظام “مكافحة الألغام المغناطيسية للموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية” الخاص بـ AMSC، وهو نظام لتعديل البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. يُباع هذا النظام للبحريات الأمريكية والكندية والبريطانية، وقد وصل إلى طلبات بقيمة 75 مليون دولار حتى الآن.
Overall, ASMC is doing best with leveraging superconductor technology in niche applications viable today, while likely being ready to deploy further advances in the future. It should also be noted by investors that the stock has experienced extreme volatility in the past, and to calculate the risks accordingly.
Latest on American Superconductor Corporation
مرجع الدراسة:
1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) ظهور الموصلية الفائقة عند الضغط الجوي فوق 40 K في (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
