Знание-сила, 2004 № 03 (921)

Прощай! Тебя уносит в прошлое, в ту страну забытых вещей, где еще ставят на стол чернильницу-непроливайку, достают гусиное перо, а по медным проводкам все так же бежит электрический ток, накаливая лампы бра и торшеров.

Тебя не будет, паутина меди, покрывшая изнутри все механизмы. Сколько энергии поглощала ты, когда по тебе перекатывался ток электронов! Как принижала любой КПД! И вот планы изобретателей, что расправа с тобой. В XXI веке тебя потеснят керамические сверхпроводники. Ведь они могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию куда эффективнее, чем теперь.

Сверхпроводящая керамика BSCCO — в ее составе: висмут, стронций, кальций, медь и кислород — была впервые получена еще в 1986 году, но лишь теперь стала применяться. Конечно, все дело было в температуре. Для нормальной работы этот сверхпроводник нужно охладить до -196 градусов Цельсия, а значит, без хитростей тут не обойтись.

Так вот эту керамику стали выпускать в виде... нет. не проводков, а тонкой ленты вроде скотча. Ленту наматывают на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма "American Superconductor" уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле.

Испытания нового двигателя прошли успешно. Теперь та же самая фирма намерена разработать сверхпроводящие двигатели мощностью от 5000 до 33500 лошадиных сил. Их испытания будут вестись как на заводах, так и на кораблях американского ВМФ. По оценкам экспертов, использование подобных двигателей сулит США ежегодную экономию в миллиарды долларов.

В этом электродвигателе вместо медных проводов использованы керамические ленты

Без серебра не обойтись

При контакте сверхпроводникового материала с обычным проводником первый теряет свои качества. Однако ученые из Калифорнийского университета во главе с Робертом Дайнсом столкнулись с противоположным эффектом.

Как известно, при чрезвычайно низких температурах электроны в сверхпроводниках преодолевают взаимное отталкивание и образуют устойчивые пары. Если же сверхпроводник контактирует с обычным материалом, то электроны последнего проникают в сверхпроводник, что понижает его критическую температуру. Кроме того, свободные электроны разрушают уже существующие пары.

Однако есть металл, который очень эффективно связывает электроны. Это — серебро. Дайне и его коллеги покрыли серебром несколько пленок из сверхпроводящего материала В результате критическая температура немного повысилась. Набольшего эффекта ученые добились в опыте с пленкой, покрытой слоем серебра толщиной 0,3 нанометра. Ее критическая температура повысилась с 1,6 до 1,9 Кельвина Дайне окрестил этот феномен "эффектом соседства".

Разумеется, этот эффект незначителен и на первый взгляд не имеет практического применения. Однако ученые намерены проверить, не наблюдается ли тот же эффект в опытах с керамическими сверхпроводниками, чья критическая температура намного выше.

Решение было таким органичным

Химики называют органическими материалами соединения углерода с другими элементами. Как правило, они не проводят электрический ток и используются в качестве изоляторов. Открыватели же первых полимеров, проводящих ток, — Алан Хиджер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава — были удостоены Нобелевской премии.

Тем временем обнаружились полимеры с совершенно необычными свойствами: органические сверхпроводники. Правда, до их промышленного применения пока далеко, ведь они теряют электрическое сопротивление лишь при температуре -260 градусов Цельсия и давлении 2000 бар. При таком давлении в материале образуются широкие каналы, сквозь которые беспрепятственно перетекают электроны.

Первый из таких материалов был открыт в 1980 году датским химиком Клаусом Бехгаардом и французским физиком Дени Жеромом. Он содержал селен. В состав самых известных органических полимеров входят соли на основе серы.

Любопытна их структура. В керамике, например, чередуются изолирующие и проводящие слои. Поэтому керамические сверхпроводники называют "двумерными". А вот в солях Бехгаарда ток течет только вдоль цепочки проводящих молекул, которая тянется через весь кристалл. Их называют "одномерными". На такие материалы уже не распространяется теория Л.Д. Ландау, который рассматривал движение электронов в твердых телах как своего рода течение жидкости, состоящей из отдельных частиц.

Изучение подобных полимеров — пусть они и не находят пока промышленного применения — поможет лучше понять свойства керамических сверхпроводников. Почему все-таки критическая температура последних так высока?