Vật chất siêu dẫn mới hứa hẹn thay đổi thế giới

Bước đột phá về một chất siêu dẫn mới có thể biến đổi cách ngành công nghệ sử dụng năng lượng điện và cải thiện phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Các nhà khoa học Mỹ cho biết đã sản xuất được vật liệu thương mại đầu tiên giúp loại bỏ sự thất thoát năng lượng khi điện di chuyển dọc theo dây dẫn.

Theo WSJ, đây hứa hẹn là một bước đột phá có thể kéo dài thời lượng pin lâu hơn, dùng lưới điện hiệu quả hơn và tàu cao tốc sẽ được cải tiến.

Nghiên cứu thuộc về một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Rochester. Theo báo cáo, họ đã tạo ra một chất siêu dẫn mới có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và có áp suất thấp hơn nhiều so với các vật liệu siêu dẫn được phát hiện trước đó.

Vật chất siêu dẫn thế hệ mới

Thông thường, dòng điện gặp phải điện trở khi nó di chuyển qua các dây dẫn, gần giống như một dạng ma sát. Điều này khiến năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt.

Một thế kỷ trước, các nhà vật lý đã phát hiện ra các vật liệu mà ngày nay được gọi là chất siêu dẫn, nơi điện trở dường như biến mất một cách kỳ diệu.

Tuy nhiên, một nhược điểm rất lớn của vật liệu này là cần được làm mát cực độ, đến khoảng -195 độ C và chịu áp suất cực lớn để hoạt động.

Chính điều này đã làm hạn chế ứng dụng vào thực tế của vật liệu siêu dẫn. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học gần như bế tắc khi tìm kiếm chất siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Thử nghiệm vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng của nhóm nghiên cứu. (Ảnh: University of Rochester).

Thực tế, nghiên cứu đột phá về chất siêu dẫn mới có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng của Đại học Rochester mới được công bố gần đây trên tạp chí Nature không mới.

Năm 2020, Ranga Dias, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí và vật lý tại Đại học Rochester, người đứng đầu nghiên cứu này trước đây đã từng có bài viết tuyên bố đã tạo ra hai vật liệu siêu dẫn tương tự trong các bài báo được đăng trên tạp chí Nature.

Tuy nhiên, bài viết này nhanh chóng đã bị các biên tập viên rút lại sau khi bị nhiều nhà khoa học khác đặt nghi vấn về một số dữ liệu trong quá trình nghiên cứu.

Cụ thể, trong nghiên cứu năm 2020, nhóm của Dias báo cáo rằng họ đã tạo ra một chất siêu dẫn được tạo thành từ sự kết hợp của hydro, lưu huỳnh và carbon hoạt động ở nhiệt độ xấp xỉ bằng nhiệt độ phòng.

Điều thú vị là vật liệu siêu dẫn này chỉ hoạt động sau khi được nung bằng tia laze và nghiền nát giữa các đầu của hai viên kim cương đến mức áp suất lớn hơn cả áp suất được tìm thấy ở trung tâm Trái đất.

Trong khi đó, đối với nghiên cứu mới đây, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh công thức chất siêu dẫn này bằng việc thêm nitơ và một kim loại đất hiếm được gọi là lutetium vào hydro thay vì lưu huỳnh và carbon.

Một lần nữa, thí nghiệm tiếp tục nung nóng và ép bằng Diamond anvil cell - công nghệ tạo áp suất nhân tạo cực lớn bằng cách sử dụng hai viên kim cương. Để so sánh, đó là khoảng 10 lần áp suất được tạo ra ở đáy các rãnh sâu nhất của đại dương trên Trái đất.

Nhóm nghiên cứu đặt tên cho vật liệu thu được là "vật chất đỏ" sau khi quan sát màu sắc của vật liệu siêu dẫn thay đổi từ xanh lam sang hồng sang đỏ khi bị nén lại. Tiến sĩ Dias cho biết biệt danh này được lấy cảm hứng từ vật chất hư cấu, tạo ra lỗ đen trong bộ phim bom tấn Star Trek.

Các nhà nghiên nghiên cứu phát hiện ra rằng, “vật chất đỏ” có thể tồn tại ở nhiệt độ khoảng 20 độ C và áp suất 145.000 psi, tức khoảng 1/360 áp suất trong lõi Trái đất.

Màu sắc của vật liệu siêu dẫn thay đổi từ xanh lam sang hồng sang đỏ khi bị nén lại. (Ảnh: Ranga Dias).

So với nghiên cứu năm 2020, vật liệu này đã có thể chịu được thêm 10 độ F và giảm áp suất xuống khoảng 1/1000.

“Kết quả này là một bước đột phá cho cộng đồng khoa học, được tạo ra bởi tiến sĩ Dias - người luôn có trực giác nhạy bén về các chất hóa học”, Stanley Tozer, một nhà khoa học nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Đại học Florida khen ngợi nhóm nghiên cứu.

Bước nhảy vọt đa ngành

Mặc dù vẫn còn cách xa so với áp suất mà con người có thể chịu được ở mực nước biển, khoảng 15 psi nhưng tiến sĩ Tozer cho rằng đây vẫn là con số nằm trong “phạm vi mà các kỹ sư có thể nhảy vào và tạo ra một sản phẩm khả thi về mặt thương mại”.

Tozer cũng khẳng định nhờ bước đột phá này mà vật liệu siêu dẫn giờ đã có thể tiếp cận được về mặt thương mại.

Các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu hoàn toàn có thể chạm đến mức áp suất khoảng 145.000 psi bằng cách sử dụng những kỹ thuật và công cụ chuyên dụng liên quan đến sản xuất chip hay tổng hợp kim cương.

Vật chất siêu dẫn có thể hoạt động trong điều kiện bình thường, được nhóm nghiên cứu đặt tên là “vật chất đỏ”. (Ảnh: WSJ).

“Trong vòng 5 năm tới, chúng ta sẽ có thiết bị chứa các thành phần làm từ vật liệu siêu dẫn. Điều đó có nghĩa là điện thoại hay laptop sẽ dùng ít điện năng hơn để hoạt động mà không bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt, dẫn đến thời lượng pin dài hơn. Ngoài ra, các thành phần tương tự cũng có thể được tích hợp vào pin xe điện", Ashkan Salamat, đồng tác giả nghiên cứu tại Đại học Nevada cho biết.

Cũng theo tiến sĩ Salamat, các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ và áp suất hàng ngày cũng có thể giúp giải quyết các vấn đề như biến đổi khí hậu.

Salamat lấy ví dụ về việc một lưới điện làm từ vật chất siêu dẫn có thể lưu trữ năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió trong một khoảng thời gian không xác định, và truyền tải trên khoảng cách lớn mà không bị thất thoát.

Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ từng ước tính trung bình khoảng 5% điện năng bị thất thoát trong quá trình truyền tải và phân phối tại quốc gia này từ năm 2017-2021.

Do đó, việc lưu trữ và truyền tải năng lượng hiệu quả hơn, sẽ đồng nghĩa với việc sử dụng năng lượng ít hơn, dẫn đến giảm lượng khí thải carbon.

Bên cạnh đó, một ứng dụng quan trọng khác cũng được tiến sĩ Salamat nhấn mạnh là các chất siêu dẫn có thể mở đường cho những cỗ máy tốt hơn, có chi phí rẻ hơn để tiến hành phản ứng tổng hợp hạt nhân, thứ từ lâu đã được coi là một nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn.

Lò phản ứng hạt nhân
Các chất siêu dẫn có thể mở đường cho những cỗ máy tốt hơn, có chi phí rẻ hơn để tiến hành phản ứng tổng hợp hạt nhân, thứ từ lâu đã được coi là một nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn. (Ảnh: Zuma Press).

Về cơ bản, phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình tạo ra nhiệt và ánh sáng từ Mặt Trời hay các ngôi sao khác. Cụ thể hơn, nó là việc các nguyên tử nhẹ va đập vào nhau để tạo ra những nguyên tử nặng hơn, giải phóng một lượng lớn năng lượng trong quá trình này, theo Guardian.

Việc giải phóng lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này có ưu điểm ưu việt là không tạo ra bất kỳ chất thải phóng xạ hoặc khí thải nhà kính nào.

Nhiều máy nhiệt hạch dựa vào từ trường để giới hạn phản ứng và chất siêu dẫn hoàn toàn có thể tạo ra một số từ trường mạnh nhất. Tuy nhiên, vấn đề là giữ mát cho các chất siêu dẫn đó yêu cầu những thiết bị rất cồng kềnh và đắt tiền.

Tiến sĩ Dias cho biết một chất siêu dẫn như “vật chất đỏ”, vốn có thể tạo ra một từ trường khổng lồ ở nhiệt độ phòng, có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong vài thập kỷ tới cho những nỗ lực xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch.

Cập nhật: 13/03/2023 Zing