Supraleiter sind Materialien, die dem Stromfluss beim Abkühlen unter eine bestimmte kritische Temperatur keinen elektrischen Widerstand mehr bieten. Typischerweise haben Supraleiter eine sehr niedrige kritische Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Eine Klasse von Supraleitern, sogenannte Hochtemperatursupraleiter (HTS), haben jedoch eine kritische Temperatur über 77 Kelvin, dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff. Sie wurden in vielen Branchen umfassend für die Entwicklung supraleitender Geräte eingesetzt.
Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid, oft als BSCCO bezeichnet, ist eine Klasse von HTS, die umfassend untersucht und in der Technik, in medizinischen Geräten, im Bergbau und in Transportsystemen eingesetzt wird.
Eines seiner Mitglieder, (Bi1,6Pb0,4)Sr2Ca2Cu3O10 oder Bi-2223, besitzt die höchste kritische Supraleitungstemperatur und hat für potenzielle Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt. Allerdings haben Einschränkungen wie eine schwache kritische Stromdichte und ein schwaches Pinning des magnetischen Flusses sowie ein komplexer Syntheseweg die Entwicklung und den Fortschritt von Bi-2223-Supraleitern behindert.
Um diese Mängel zu beheben, hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Professor Muralidhar Miryala vom Materials for Energy and Environmental Laboratory of Supraconducting Materials am Shibaura Institute of Technology und Professor Awang Kechik Mohd Mustafa vom Department of Physics der Faculty of Science der Universiti Putra Malaysia angegangen haben die Auswirkungen der Zugabe von Graphen-Nanopartikeln auf die Phasenbildung und die supraleitenden Eigenschaften von Bi-2223 untersucht.
„In dieser Studie berichten wir über die Auswirkungen auf die kritische Temperatur, die kritische Stromdichte sowie die strukturellen und morphologischen Eigenschaften von Bi-2223, wenn Graphen-Nanopartikel mithilfe einer neuartigen Kopräzipitationsmethode in sie integriert werden“, erklärt Prof. Miryala.
Diese Studie war veröffentlicht in Nanomaterialien. Die Co-Autoren sind Abdullah Siti Nabilah, Nursyahirah Kamarudin Aliah, Soo Kien Chen, Kean Pah Lim, Abdul Karim Muhammad Khalis und Shaari Abdul Halim von der Universiti Putra Malaysia, Abidin Talib Zainal von der Jeonbuk National University, Baqiah Hussein von der Dezhou University, und Hashim Azhan und Ermiza Suhaimi Nurbaisyatul von der Universiti Teknologi MARA Pahang.
Da Graphen hervorragende elektrische, mechanische und chemische Eigenschaften besitzt und sowohl Graphen als auch Bi-2223 als blattartige Mikrostrukturen wachsen, sind Graphen-Nanopartikel als Zusatzstoffe durchaus attraktiv.
Das Team untersuchte die Phasenbildung und Kristallstrukturen verschiedener Bi-2223-Proben mit 0,3, 0,5 bzw. 1,0 Gewichtsprozent Graphen-Nanopartikeln mittels Röntgenbeugung (XRD) und verglich sie mit denen einer reinen Probe. Sie untersuchten außerdem die kritische Temperatur der Proben mithilfe einer Methode namens Wechselstrom-Suszeptometrie (ACS).
Die XRD-Ergebnisse zeigten, dass in den Proben eine primäre Bi-2223-Phase und eine sekundäre Bi-2212-Phase, ein weiteres BSCCO, dominierten. Darüber hinaus war der Volumenanteil der Bi-2223-Phase bei Proben mit 0,3 und 0,5 Gewichtsprozent Graphen höher und bei der Probe mit 1,0 Gewichtsprozent Graphen etwas niedriger.
Darüber hinaus ergab die ACS-Analyse, dass die kritische Anfangstemperatur, die Phasenverriegelungstemperatur und die Kopplungsspitzentemperatur – Maße für die supraleitenden Fähigkeiten – mit zunehmender Graphenzugabe abnahmen.
Interessanterweise zeigte die Probe mit 1,0 Gewichtsprozent Graphen die höchste kritische Stromdichte und besaß die Mikrostruktur, die am besten für die Bildung von Bi-2223-Supraleitern geeignet war. „Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Zugabe von Graphen-Nanopartikeln, die als Verunreinigungen wirken, das Potenzial hat, die Stromdichte von Bi-2223-Supraleitern zu erhöhen“, sagt Prof. Miryala.
Prof. Miryala erklärt die potenziellen zukünftigen Anwendungen von Bi-2223-Supraleitern mit erhöhter Stromdichte und fügt hinzu: „Diese Supraleiter haben das Potenzial, verschiedene Bereiche wie MRT-Bildgebung, Stromerzeugung und -verteilung, Integration erneuerbarer Energien, Transport und Luft- und Raumfahrt sowie Partikel zu erleichtern.“ Beschleuniger, Elektronik und Quantencomputer, ökologische Nachhaltigkeit, Industrie- und Fertigungsprozesse sowie pädagogische und wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit.“
Mehr Informationen:
Siti Nabilah Abdullah et al., Mikrostruktur und supraleitende Eigenschaften von Bi-2223, das über die Co-Präzipitationsmethode synthetisiert wurde: Auswirkungen der Zugabe von Graphen-Nanopartikeln, Nanomaterialien (2023). DOI: 10.3390/nano13152197
Bereitgestellt vom Shibaura Institute of Technology