أفاد الباحثون أن الجيل الجديد من الموصلات الفائقة المطلوبة بشدة في العديد من الصناعات عالية التقنية، سيعتمد على مركبات البلاديوم.
أطلق العلماء عليه معدن المستقبل.
تمتلك روسيا معظم احتياطيات العالم من هذا المعدن النادر والمكلف، بالإضافة إلى ما يقرب من نصف إجمالي إنتاجه.
مقاومة الصفر
في عام 1911، اكتشف الفيزيائي الهولندي، كاميرلينغ أونس، أن المقاومة الكهربائية للزئبق الصلب عند تبريده في الهيليوم السائل إلى 4.1 كلفن (ناقص 269 درجة مئوية) تنخفض بشكل حاد إلى الصفر. كانت هذه أول حالة مسجلة رسميا للموصلية الفائقة.
وسرعان ما تم تحديد العديد من الموصلات الفائقة. كانت درجة حرارة الانتقال "TC" منخفضة للغاية، قريبة من الصفر المطلق.
وفي عام 1986، اكتشف موظفو القسم العلمي لشركة "آي بي إم" مادة تحتوي على درجة حراة انتقالية على 30 كلفن لانثانوم وكوبرات الباريوم. حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء لهذا الغرض.
السباق الرئيسي للفيزياء الحديثة
في الصناعة، يتم تبريد الأجهزة والأسلاك بالنيتروجين السائل، الذي يغلي عند 77 كلفن. وتسمى الموصلات الفائقة ذات درجات حرارة انتقالية أعلى من القيمة بدرجة حرارة عالية.
في عام 1990، تم الحصول على عدد من المركبات من مجموعة كوبرات مع درجة حرارة انتقالية 130-150 كلفن. الأكثر شهرة "بسكو" أو كما يسميها الفيزيائيون، "بيسكو"، تتكون من طبقات من أكاسيد البزموت والسترونتيوم والنحاس والكالسيوم النقي.
وتستخدم الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بالفعل في أنظمة نقل الطاقة بدون فقدان، والقطارات عالية السرعة بدون تلامس، والمغناطيسات فائقة القوة للمسرعات والمفاعلات النووية الحرارية، والرقائق الدقيقة فائقة الإنتاجية، وأجهزة التشخيص الطبي فائقة الدقة، ومحركات المركبات الفضائية بين الكواكب. على سبيل المثال، تم إجراء عشرات الكيلومترات من الأسلاك من بسكو في مصادم هادرون كبير في "المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية".
كان هناك سباق حقيقي وراء الموصلات الفائقة عالية الحرارة بشكل متزايد. الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة والضغوط الطبيعية يمكن أن تغير التكنولوجيا والطاقة بشكل أساسي. ومع ذلك، لم يتم العثور على مثل هذا الارتباط حتى الآن.
كوبرات-نيكل
الكوبرات، هي مركبات معقدة تعتمد على أكاسيد النحاس، والتي في ظل الظروف العادية لا تجري عمليا تيارا كهربائيا، أي العوازل.
تم فصلهم إلى مجموعة منفصلة من "المعادن الغريبة"، أو شبه المعادن فائقة التوصيل. يعتقد أنه يجب تطبيق المبادئ الكمومية لوصف سلوك الإلكترونات فيها، حتى أن بعض الباحثين يرون حالة خاصة من المادة في الكوبرات.
قام الفيزيائيون في جامعة كورنيل ومعهد فلاتيرون في نيويورك في عام 2020، باستخدام الحوسبة الكمومية، ببناء نموذج رقمي من "المعادن الغريبة"، مما يدل على أن الكوبرات عبارة عن تقاطع بين المعادن الكلاسيكية مع الإلكترونات المتحركة والعوازل التي تشغل فيها الإلكترونات مواقع ثابتة.
في عام 1999، اقترح العالم الروسي، فلاديمير أنيسيموف، وزملاؤه أن النيكل، وهي مركبات معقدة تعتمد على أكسيد النيكل، يمكن أن يكون لها أيضًا موصلية فائقة عالية الحرارة. في الواقع، تم اكتشاف العديد من الموصلية الفائقة المحتوية على النيكل في وقت لاحق.
في وقت من الأوقات كان هناك حديث عن دخول عصر الموصلات الفائقة للنيكل. لكن كانت هناك مشاكل. أولاً، الحصول على النيكل عملية معقدة للغاية. ثانيًا، على الرغم من أن هذه المركبات أقرب في خصائصها إلى المعادن، إلا أنها أقل ثباتًا من الكوبريتات. يفسر ذلك حقيقة أن حالات طاقة إلكترونات النيكل أعلى من تلك الخاصة بالنحاس، لذا فهي تدخل بنشاط في تفاعلات مختلفة.
عصر البلاديوم
في الموصلية الفائقة عالية الحرارة، يجب أن تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض بقوة أكبر من الكوبرات، ولكن أضعف من النيكل. أشار الفيزيائيون من اليابان والنمسا إلى مركبات البلاديوم-بالادات.
ونقلت صحيفة "بالاديوم"، عن رئيس الدراسة التي أجراها كارستن هيلد من معهد فيزياء الحالة الصلبة في جامعة "فيينا" التقنية في بيان صحفي: "في المتوسط، تكون إلكترونات البلاديوم أبعد قليلا عن النواة وعن بعضها البعض، وبالتالي فإن التفاعل الإلكتروني بينهما أضعف".
تحتوي البلادات على التكوين الإلكتروني المثالي لارتفاع درجة الحرارة الموصلية الفائقة. من خلال بناء نموذج بمعلمات متغيرة مثل قوة تفاعل الإلكترون وعامل التعبئة وتشتت طاقة النبض، حدد الباحثون منطقة الموصلية الفائقة في البلادات وحددوا مركبين لهما أعلى درجة حرارة انتقالية، بنحو 100 كلفن.
ويأمل المؤلفون أن يقوم زملاؤهم التجريبيون بتجميع هذه المواد واختبار خصائصها في المختبر.
قال البروفيسور هيلد: "نتائج الحسابات واعدة. إن ظهرت فئة جديدة من الموصلات الفائقة، فسوف تقدم جميع الأبحاث وتسمح لنا بفهم الموصلية الفائقة بشكل أفضل بشكل عام".
وبالنسبة لروسيا، التي لديها أكبر احتياطيات البلاديوم في العالم. تقع الودائع في منطقة نوريلسك وشبه جزيرة كولا.
والاستخدام الرئيسي للبلاديوم هو المحولات الحفازة لمحركات الاحتراق الداخلي في السيارات. يستخدم هذا المعدن أيضًا في الإلكترونيات والطب والصناعات الكيماوية وصناعة المجوهرات. بفضل الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة القائمة على البلادات، يمكن أن يرتفع الطلب عليها بشكل كبير.
وقال الخبير الصناعي ليونيد خازانوف:"سيشكل هذا في الواقع مجالًا جديدًا لاستهلاك البلاديوم بحجم يصل إلى 100 طن سنويًا. روسيا قادرة على احتلال 20-30٪ من السوق الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية".
وتكمن الصعوبة في أن البلاديوم نادر للغاية وباهظ الثمن. السعر ألفي دولار للأونصة بنحو 31 جرام والإنتاج ليس بملايين الأطنان كالنحاس والنيكل بل 250 سنويًا.
ويعد البلاديوم من عائلة البلاتين من المعادن، ويعتبره خبراء المجوهرات بديلا للذهب أو البلاتين، خصوصا أن له خصائص تجعله ذو قيمة كبيرة في صناعة السيارات.
وتقوم الصين والبلدان النامية بفرض قيود صارمة على انبعاثات الأدخنة، لا سيما من سيارات الديزل، أصبح الطلب على البلاديوم أكثر من أي وقت مضى، الأمر الذي رفع من سعره في الأسواق العالمية.
