Международная команда учёных предложила в качестве супермагнитов сверхпроводящий пеноматериал, который найдёт применение в работе с космической техникой.
Высокотемпературные образцы сверхпроводников изготавливаются в основном в трех различных формах: провода / ленты, тонкие пленки и керамические материалы. Для создания сверхпроводящих магнитов или «супермагнитов» следует учитывать размер, так как максимальное захваченное поле зависит от размера сверхпроводящего образца, в отличие от постоянного магнита. Ученым трудно получать крупные образцы сверхпроводников, это важная и сложная задача, которая затрачивает немало времени. Кроме того, часто возможна деформация (растрескивание) сверхпроводящих образцов.
Альтернативный вариант был найден специалистами несколько лет назад – это создание сверхпроводящей пены, которая имитирует строительные элементы биологических несущих конструкций. Открыто-пористая структура пен способствует улучшению механической прочности металлических слоев. Например, сверхпроводящая пена YBa2Cu3O7-y (YBCO) - иттрий, барий, медь и кислород - имеет такую прочную пористую структуру.
Сверхпроводящая пена была синтезирована ещё в 2002 году в Германии Е. Редди и Дж. Шмицем. В 2018 году образец пены попал в руки Михаеля Коблишки (Shibaura Institute of Technology, Tokyo). Он решил исследовать магнитные свойства этого образца и собрал международный коллектив ученых. Синтез происходил в Германии, измерения в Японии, анализ результатов в Японии и России. Красноярский физик Денис Гохфельд участвовал в анализе данных и определении значений критического тока. Перед группой ученых, по словам Гохфельда, стояли следующие основные задачи: «Исследовать распределение магнитного поля в материале и определить незатухающие токи, которые текут внутри сверхпроводника». Результаты экспериментальной работы научного коллектива опубликованы в международном научном издании Materials(MDPI) (2019, 12, 853).
На фото - Денис Гохфельд - кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского, Федеральный исследовательский центр КНЦ СО РАН (г. Красноярск)
Участник проекта Денис Гохфельд – кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского, Федеральный исследовательский центр КНЦ СО РАН (г. Красноярск) – прокомментировал, в чём заключалась работа совместно с зарубежными коллегами.
«Мы исследовали сверхпроводник в форме пены, обладающий очень малой плотностью. Если поместить этот материал в магнитное поле, то он намагничивается и ведет себя как постоянный магнит», – сказал Гохфельд.
Почему образец сверхпроводника был изготовлен именно в форме пены и каким образом она синтезировалась, российский учёный пояснил: «Сверхпроводник был приготовлен Е. Редди и Дж. Шмицем (они также являются авторами этой работы) в 2002 году. Они сделали его в форме пены по 2 причинам. Во-первых, пена очень легкая (имеет малую плотность), во-вторых, никто не делал сверхпроводники в форме пены. На практике размер обыкновенных сверхпроводников ограничен 1-2 см. Более крупный образец может потрескаться либо терять свои свойства, что делает его непригодным для использования. Это осложняет их применение и значительно завышает стоимость. Проблему малых размеров решило создание сверхпроводящей пены. Она состоит из пустых пор, которые окружены сверхпроводником. В таком виде можно получать сверхпроводники практически любых размеров, а незначительный вес и небольшое количество материала существенно уменьшают стоимость».
В чём состоит этот процесс? «Для синтеза сверхпроводящей пены создается пористая структура из полиуретана, похожая на губку. Химические элементы, которые входят в состав сверхпроводника (иттрий, барий и медь) растворяются в поливинилалкоголе, и этой смесью пропитывают полиуретановую губку. После пропитки губка обжигается до полного выгорания полиуретана, остается только абсолютно не сверхпроводящее соединение. Далее в центр полученной пены помещается небольшой сверхпроводящий кристалл, и пена с кристаллом снова нагревается. Под действием температуры от кристалла начинает разрастаться сверхпроводящая фаза, полностью повторяя структуру пены. Таким образом, весь образец пены становится сверхпроводящим», - объяснил Денис Гохфельд.
На снимках - Исследуемая пена. a) Несверхпроводящий образец пены после выгорания полиуретана. b) Образец после разрастания сверхпроводящей фазы.
У сверхпроводника, полученного международной научной группой, есть уникальное свойство, как отметил сотрудник РАН, «пена обладает очень низкой физической плотностью, всего 10% от плотности обычного сверхпроводника такого же состава». Но все же при исследовании магнитных свойств пористого сверхпроводящего материала возникают сложности. «Для измерений магнитных свойств необходимо отделить небольшой кусочек материала, размером около 1 мм3. Но в данном материале диаметр пор около 1 мм. В отделенном малом кусочке не оказывается пор и его свойства отличаются от свойств всего материала»,- сказал Гохфельд.
На снимках a) и b) - Левитация сверхпроводящей пены, охлажденной жидким азотом, над магнитной дорогой, сделанной из постоянных магнитов
Пористые высокотемпературные сверхпроводники являются очень перспективными материалами. Возможности прикладного применения для образцов сверхпроводящей пены многообещающие. Так, пены YBCO могут использоваться в различных областях, где важен эффективный процесс охлаждения, например, для ограничителей тока короткого замыкания. Кроме того, учёные рассматривают их для эксплуатации в космической технике. Как отметил Денис Гохфельд, «материал может использоваться в космических аппаратах. Пена может применяться в системах стыковки космических аппаратов и устройствах для сбора космического мусора».
Очевидно, что дальнейшая работа требует более глубокого понимания изучения подобных образцов, которые сочетают в себе существующие подходы моделирования механических свойств металла пены с моделированием протекания сверхпроводящего тока. Таким образом, сверхпроводящие пены могут в будущем генерировать большие магнитные поля в космических экспериментах.
Автор Олеся Фарберович
