LK-99 czyli domniemany nadprzewodnik działający w temperature pokojowej poruszył świat nauki. Pytanie czy słusznie.
Nadprzewodnictwo to zjawisko fizyczne, które od długiego czasu wzbudza zainteresowanie naukowców i inżynierów. Choć może brzmieć skomplikowanie, jego istota jest fascynująco prosta. Chodzi o to, że pewne materiały, gdy są schłodzone do bardzo niskich temperatur, stają się zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego bez jakiejkolwiek straty energii.
Pierwszy nadprzewodnik odkryto w 1911 roku, gdy Heike Kamerlingh Onnes schłodził rtęć do temperatury zbliżonej do zera absolutnego, a konkretniej do -269 C i odkrył, że opór elektryczny materiału zniknął. Szybko zrozumiał on wagę tego odkrycia. Problem w tym, że równie szybko pojawiły się problemy.
W ciągu następnych lat odkryto wiele innych materiałów mających podobne właściwości, ale każdy z nich zachowywał je tylko i wyłącznie w ekstremalnie niskich temperaturach. Z punktu widzenia nauki było to fascynujące, ale bez zastosowania w rzeczywistym świecie.
No dobrze, ale dlaczego w ogóle nadprzewodniki są takie ważne? Eliminacja oporu elektrycznego zmieniłaby nasze życie w sposób, który aż ciężko pojąć. Zaczniemy od przyziemnych rzeczy. Wyobrażacie sobie elektronikę i komputery, które nie nagrzewają się przy użytkowaniu? Cała energia byłaby zużywana, a zatem nie zostałoby nic co można oddać jako ciepło. To jednak tak naprawdę nic. Szybko okazałoby się, że technologie takie jak MRI czy Tokamak nie wymagają już kosztownego sprzętu. A zaraz potem powstałyby pojazdy praktycznie nie wymagające paliwa a cały transport przeszedłby błyskawiczną elektryfikację. W skrócie – witamy w roku 2150, przyszłość nie jest dystopijna.
Problem jest jednak fundamentalny – schłodzenie metalu do tak niskiej temperatury zużywa mnóstwo energii i nie jest wykonalne w większości zastosowań. No i to tyle, koniec marzeń o nowym i lepszym świecie. Nie powstrzymało to jednak naukowców.
Teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) stanowi fundamentalne wyjaśnienie mechanizmu nadprzewodnictwa w materiale. Została opracowana w 1957 roku przez trzech amerykańskich fizyków: Johna Bardeena, Roberta Coopera i Johna Schrieffera, za co otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1972.
Teoria BCS opiera się na założeniu, że w nadprzewodnikach elektrony, które normalnie są obciążone oporem elektrycznym w tradycyjnych przewodnikach, tworzą pary, zwane parą Coopera, które mogą poruszać się przez materiał bez oporu. To, co wyróżnia nadprzewodnictwo w kontekście teorii BCS, to oddziaływanie elektronów z drganiami sieci krystalicznej, które prowadzą do tworzenia tych par. W normalnych przewodnikach, elektrony wzajemnie oddziałują z sobą negatywnie, co prowadzi do oporu elektrycznego. W nadprzewodnikach, w niskich temperaturach, oddziaływanie między elektronami może spowodować przyciąganie ich do siebie. W rezultacie metal wpada w „kondensat Bosego-Einsteina” – wszystkie cząstki wpadają w ten sam stan (pęd, spin).
Brzmi to trochę skomplikowanie. I takie zresztą jest. Co interesuje nas najbardziej to fakt, że nareszcie poznaliśmy, jak działają nadprzewodniki. Niestety, dalej nic nam to nie daje. Teoria BCS podaje wyraźnie granicę temperatur w których metal może osiągnąć stan nadprzewodnictwa. Jest to -245 C.
Zdawałoby się, że temat jest zamknięty. Ale wtedy nie pisałbym tego artykułu. W 1986 odkryto coś niezwykle ciekawego – LBCO, czyli spiek stworzony z lantanu, baru, miedzi i tlenu. Wykazywał on stan nadprzewodnictwa w temperaturze -238.15 C. Z miejsca obalił więc teorię BCS. Przy okazji, wspominaliśmy o tym, że mówiła ona o metalach. LBCO jest tymczasem ceramikiem. Ciężko mówić więc o parach Coopera czy kondensacie Bosego-Einsteina. Jeśli założyć, że BCS było poprawną teorią, to w LBCO nie działało wszystko. Poza faktem, że działało wszystko. Dokładnie wtedy zaczęliśmy szukać znacznie bardziej interesującego tworu – nadprzewodnika działającego w wysokiej temperaturze. A to nim może być słynny już LK-99.
Problemów jest jednak wciąż wiele. Główny z nich to to, że wciąż nie mamy jednej i spójnej teorii powstawania nadprzewodników działających w wysokiej temperaturze. Było ich już sporo, ale każda pojedyncza została już obalona. Jak zatem możemy szukać nowych związków mających potencjał na zostanie upragnionym nadprzewodnikiem? Cóż, na ślepo nie jest tutaj wcale przesadą. Proces można porównać do rzucania na ślepo w tarczę z rzutkami i liczenie na 60-tkę (bo każdy gracz wie, że bullseye nie jest wcale najbardziej punktowanym polem, prawda?). I jest niezerowa szansa na to, że koreański zespół dokładnie to zrobił. Ale uczciwie dodamy, szansa nie jest zerowa, ale bardzo bliska wspomnianemu zeru.
Koreańscy badacze Sukbae Lee i Ji-Hoon Kim mogli odkryć coś naprawdę niesamowitego. Według informacji zawartych w badaniach, LK-99 posiada heksagonalną strukturę, która jest lekko zmodyfikowaną wersją apatytu ołowiowego, wzbogaconego niewielkimi ilościami miedzi. Zespół badaczy z Uniwersytetu Korei pod kierownictwem Sukbae Lee’ego oraz Ji-Hoon Kima (stąd też nazwa LK-99) rozpoczął badania nad tym materiałem w 1999 roku, stawiając przed sobą ambitny cel – odkrycie nadprzewodnictwa przy temperaturze poniżej 400 K (127 °C) i przy ciśnieniu atmosferycznym.
I co? Najwyraźniej się udało. A tak przynajmniej twierdzą. LK-99 to nadprzewodnik zachowujący swoje właściwości nawet w ponad 120 C. Zwykle były to liczby w okolicy -245, przełom jest więc wręcz trudy do pojęcia. Oczywiście są jednak pewne wątpliwości. Przede wszystkim, nie wiadomo czy może on przewodzić prąd o dużym natężeniu. Nawet jeśli nie może to przełom jest wciąż kolosalny. Drugi problem jest jednak nieco inny – nie wiadomo, czy to działa.
Lee i Kim opatentowali oczywiście swoją pracę, ale przy okazji zamieścili też przepis na produkcję LK-99 (która swoją drogą jest banalnie wręcz prosta, związek odtworzył już nawet pewien streamer z Twitcha bez użycia przesadnie drogich narzędzi). Uniwersytety na całym świecie rzuciły się zatem do badań. Są one jednak umiarkowanie optymistyczne.
Na chwilę pisania tego artykułu, uniwersytet w Southeast w Chinach przebadał LK-99 i stwierdzili częściowy sukces. Uniwersytet w Beihang stwierdził jednak, że LK-99 nie ma właściwości nadprzewodnika. Podobnie twierdzi Narodowy Uniwersytet Tajwanu oraz Narodowe Hinduskie Laboratorium Fizyki. Uniwersytet Południowej Kalifornii jest na razie sceptyczny, ale zaobserwowali kilka ciekawych zjawisk w LK-99.
Co to wszystko oznacza? Albo synteza LK-99 nie jest wcale aż taka prosta jak mogło by się to wydawać, albo zespół z Korei się pomylił. Problem jednak w tym, że wydają się bardzo pewni tego odkrycia. Być może jednak trzeba dokładnie kontrolować czystość próbek czy szybkość ich podgrzewania i chłodzenia. A tego jak to zrobić nie ujawnili w swoje pracy naukowej.
No dobrze, co zatem nas czeka w obu możliwych scenariuszach? W tym optymistycznym, Lee i Kim są multimiliarderami a ludzkość zaczyna realnie ograniczać zużycie swojej energii w ciągu najbliższych 10-20 lat, być może częściowo powstrzymując nawet postęp zmian klimatycznych. Miniaturyzacja elektroniki idzie do przodu, superkomputery stają się coraz mocniejsze, a transport niemalże darmowy. Chociaż brzmi to jak czysty futuryzm, to z nadprzewodnikiem działającym w temperaturze pokojowej nie jest to niewykonalne. Oczywiście zostają kwestie biznesowe, patentowe i inne przeszkody uniemożliwiające szybkie wdrażanie tego rozwiązania, ale to już inna kwestia.
Scenariusz drugi? Lee i Kim się kompromitują, naukowcy z całego świata udowadniają błędy w ich pracy naukowej, a świat zapomina na kilka lat o nadprzewodniku. Do czasu aż inny zespół naukowców nie powie, że rzucając z zawiązanymi oczyma przez lewe ramię trafili w bullseye rzutką. A wtedy przyjdzie pora na napisanie kolejnego artykułu. Niestety na ten moment wszystko wyraźnie wskazuje na to, że musimy szykować się na scenariusz drugi. Ale cóż, było przynajmniej ciekawie.
Nie ma jeszcze żadnych komentarzy. Napisz komentarz jako pierwszy!