Версия для печати

Новости от ФИАН

Металлические наноостровковые структуры, полученные в ФИАН, обладают колоссальной диэлектрической проницаемостью и могут изменять проводимость под действием предельно слабых электрических полей.

Неожиданные и уникальные свойства новых искусственных материалов обнаружили сотрудники ФИАН. Металлические наноостровковые структуры на диэлектрических подложках – предмет исследований доктора физ.-мат. наук Федора Пудонина и кандидата физмат.наук Анатолия Болтаева. Подложкой может служить стекло, керамика и даже обычная бумага или лавсановая пленка. Главное, чтобы поверхность имела определенную шероховатость. На таких подложках выращены разупорядоченные системы из металлических наноостровков толщиной от 5 до 15 ангстрем и диаметром от 50 до 300 – 400 ангстрем (напомним, 1 ангстрем – 10-10 м или 0,1 нм). Как оказалось, проводимость этих наноструктур при азотных и комнатных температурах с ростом температуры увеличивается (носит диэлектрический характер).

Согласно теории прыжковой проводимости Шкловского – Эфроса, общепринятой для объяснения механизма переноса носителей заряда в легированных полупроводниках при гелевых температурах, способность переноса зарядов в этих полупроводниковых системах зависит от того, на каком расстоянии центры легирования находятся друг от друга. Иначе говоря, важно, чтобы электрон имел возможность туннелировать — «перепрыгнуть» — с одного центра на другой, при этом не обязательно на ближайший.

В ходе экспериментов выяснилось, что для случая металлических наноостровковых структур теория Эфроса – Шкловского не работает. Ученые предположили, что металлические островки находятся не просто в нейтральном состоянии (никак не заряжены), а в зависимости от температуры некоторая часть из них заряжена положительно, а другая – отрицательно. «В сумме получается ноль, но сам факт заряда части островков оказывается очень важным, поскольку в наших структурах проводимость связана с туннелированием носителей заряда от заряженных островков на нейтральные островки», — объясняет Федор Пудонин.

Результатом наблюдения стала модель, уже подтвержденная экспериментально, согласно которой заряд островков играет главную роль в формировании физических свойств новых материалов. При этом не так уж важно, из какого металла выполнены металлические островки — физические свойства системы от этого не меняются (это могут быть ферромагнетики — железо или кобальт; железо-никелевый сплав — пермаллой; вольфрам, титан или другие материалы). По всей видимости, здесь играет определенную роль геометрический фактор — размеры островков и расстояние между ними.

Первым из обнаруженных необычных свойств островковых систем стала фотопроводимость, не наблюдавшаяся раньше в металлах. Проводимость новых материалов изменялась в зависимости от длины волны света, которым их облучали.

Как известно, у каждого металла — своя удельная проводимость — величина постоянная, которая не зависит ни от внешних сильных воздействий, ни от поля. Проводимость островковых систем константой не является, а зависит от приложенного электрического поля — может меняться от нескольких процентов до 2 – 3 раз (нелинейно возрастает). Более того, в таких структурах проводимость начинает изменятся в предельно слабых электрических полях (40 – 50 В/см).

«Эти свойства открывают большие прикладные возможности — мы имеем систему, проводимостью которой можно управлять», — считает Федор Пудонин. Явление изменения проводимости структуры можно использовать, например, в системах кодирования или защиты ценных бумаг, произведений искусства, техники.

Еще одно интересное свойство систем из металлических наноостровков на диэлектрической подложке — это гигантская диэлектрическая проницаемость. Обычно в металлах на низких частотах диэлектрическая проницаемость — величина отрицательная. В островковых структурах совершенно неожиданно была обнаружена большая положительная низкочастотная диэлектрическая проницаемость. На сегодняшний день наибольшей диэлектрической проницаемостью обладают сегнетоэлектрики, но в исследуемых структурах она получилась на три порядка больше (до 107 – 108 против 104 – 105 у сегнетоэлектриков)!

По мнению ученых, наноостровковые и гранулированные системы — это новый класс искусственных материалов (метаматериалов) с уникальными электрофизическими, магнитными, оптическими, фотоэлектрическими свойствами. И в будущем они должны найти широкое применение.

Источник: По материалам АНИ «ФИАН-информ»

***

Создана первая гибридная энергетическая магистраль

Сотрудники из ИНМЭ РАН, ВНИИКП и МАИ в рамках реализации программы президиума РАН .Фундаментальные основы развития энергетических систем и технологий, включая ВТСП. создали и успешно испытали первую в мире гибридную энергетическую магистраль. Энергия в ней передается сразу в двух видах - в виде потока жидкого водорода и в виде электричества по сверхпроводящему силовому кабелю.

Создание новых типов линий электропередач - дело весьма актуальное, но не простое. Представляемый научный коллектив предложил совершенно новую идею: кабельная линия энергопередачи, сочетающая сверхпроводник и хладоагент, который не только поддерживает сверхпроводящее состояние кабеля, но является энергоносителем. Эта идея доведена до опытного образца, в качестве хладоагента использован жидкий водород. Потери на поддержание низкой температуры в "водорических" (от hydricity = hydrogen+electricity) магистралях для передачи электроэнергии составляют десятые доли процента, а экологичность водородных технологий и подобранный с учетом низкой стоимости сверхпроводящий материал . дополнительные, но также весомые, аргументы.

Комментирует участник проекта, бывший сотрудник ФИАН, ныне заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО "ВНИИКП", доктор технических наук Виталий Сергеевич Высоцкий: "Водород - один из наиболее эффективных энергоносителей, он имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлива. Но кроме этого водород обладает хорошими охлаждающими свойствами в жидком состоянии, и этот "бесплатный" холод в потоке водорода позволяет использовать сверхпроводящие кабели в криогенных магистралях для дополнительной передачи электричества, что значительно увеличивает плотность потока энергии".

В качестве сверхпроводящего материала в проделанной работе использовались ленты диборида магния MgB2 (производства фирмы Columbus Superconductor, Италия). Этот низкотемпературный сверхпроводник с критической температурой ~39 К был открыт совсем недавно, в 2001 году. Для использования в водородной магистрали он хорошо подходит, в первую очередь потому, что может работать при температуре жидкого водорода, демонстрируя высокие сверхпроводящие свойства. Но, главное, он сравнительно прост в производстве и весьма дешев. По сравнению с известными высокотемпературными сверхпроводниками его цена в двадцать раз меньше. С учетом двух последних особенностей использование диборида магния весьма интересно для водородных энергетических магистралей. Проверка этой идеи я являлась целью первого практического эксперимента. Важно заметить, что созданный во ВНИИКП сверхпроводящий кабель явился вторым случаем использования диборида магния на практике, пока преимуществами этого материала успели воспользоваться только разработчики магнитов МРТ сканеров.

Что касается устройства сверхпроводящего кабеля, то его основной токонесущий слой состоит из пяти лент диборида магния спирально уложенных на сердечник их пучком медных проволок. Диаметр кабеля составляет 26 мм, а длина - около 10 метров. При этом внутри остаётся изолированный канал диаметром около 12 мм для течения охлаждающего жидкого параводорода. Также параводород циркулирует и в полости между внешней оболочкой кабеля диаметром 28 мм и внутренней стенкой криостата диаметром 40 мм.

В процессе работы были созданы макет гибридной энергетической магистрали (с рабочим давлением до 10 бар) для размещения сверхпроводящего кабеля, собственно сам сверхпроводящий кабель и токовые вводы. Испытания экспериментальной энергетической магистрали проводились на специализированном стенде Испытательного комплекса ОАО "Конструкторское бюро химавтоматики" (г. Воронеж).

Виталий Высоцкий рассказывает о результатах испытаний: "Необходимый сейчас порядок величины расстояний передачи электроэнергии составляет 3000-5000 км, а требуемая мощность - порядка 10 ГВт. В модельной магистрали, которую мы испытали, поток жидкого водорода в 200-220 г/сек. несет около 25 МВт мощности, плюс по сверхпроводящему кабелю идет электрическая мощность, в нашем случае это 50 МВт. Но ее легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент даже в нашей магистрали. В промышленной же магистрали, за счет увеличения тока, напряжения и объема потока водорода (увеличив диаметр трубы), можно пропускать гораздо более мощные потоки энергии".

Комментирует работу старший научный сотрудник лаборатории Сверхпроводимости ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Федорович Ельцев: "Работа вызывает целый ряд положительных эмоций. Во-первых, создание гибридной магистрали является, по сути, новым видом практического применения сверхпроводников. Во-вторых, использование токонесущего элемента на основе диборида магния, с момента открытия сверхпроводимости в котором прошло всего 10 лет, показывает, что этот материал является весьма перспективным и для других возможных применений в технике. В-третьих, этот пионерский эксперимент был сделан в России, показывая, что потенциал российской науки не исчерпан, и мы вправе ожидать новых достижений наших ученых".

Обсуждение возможности создания гибридных транспортных энергетических магистралей ведется давно во всем мире. В мае 2011 года в Потсдаме в Institute of advanced sustainability studies под руководством нобелевского лауреата Карло Руббиа состоялся симпозиум, на котором рассматривались возможности передачи потоков энергии порядка 10 ГВт на расстояния в тысячи километров. Был сделан теоретический расчет, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB2. Однако первая экспериментальная работа была сделана в России. Это не может не радовать.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "