Ю.Д. Третьяков - Микро- и наномир современных материалов (975562), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Формирование перешейков приводит к усилениютуннельного магнетосопротивления. Подобные системы можно использовать в24перспективе для дизайна устройств спинтроники – потенциального аналогаэлектроники, в котором в качестве основного фактора рассматривается не заряд, аспин электрона.Полая микросфера («апельсиновая корка»), состоящая из наночастиц оксидов кальция,меди и марганца, полученная из нитратного раствора в результате пиролиза аэрозоля при7500С (слева). «Ажурная» микроструктура керамики, полученная после спекания полыхчастиц-микросфер (справа).25Высокотемпературные сверхпроводникиМагнитная левитация14 октября 1899 г.
герой романа Г.Уэллса“Первые люди на Луне” изобрел кейворит —вещество, непроницаемое для гравитации: онсплавил несколько различных металлов снекоторымидругимихимическимиэлементами и в течение недели поддерживалсмесь в жидком состояниии, а затем дал еймедленно остыть. Реакция заканчивалась притемпературе 60° по Фаренгейту (15.6°С).Чудо-вещество удавалось приготовить толькос примесью... гелия.
К сожалению, по фабулеромана, точный рецепт навсегда утерян.В своих фантазиях Уэллс ушел не так уждалеко. В 1911 г. Г.Камерлинг-Оннес открылсверхпроводимость ртути, охладив ее жидкимгелием до температуры 4.2 К. Как выяснилосьпозже,полнаяпотеряэлектрическогосопротивленияприпереходевсверхпроводящее состояние не единственноенеобычное свойство такого вещества. В 1933г.В.МейснериР.Оксенфельдэкспериментальноустановили,чтосверхпроводникполностьювытесняетмагнитное поле из своего объема (еслииндукция поля не превышает критическогозначения).
“Абсолютный” диамагнетизмсверхпроводящего состояния означает, вчастности, возможность свободного парениямагнита над чашей из сверхпроводника. А этоуже и есть “левитация”, о которой мечталписатель,правда,магнитная,анегравитационная. В 1945 г. такой опытблестяще осуществил В.К.Аркадьев.И все бы хорошо, если бы не слишком ужнизкие — гелиевые — температуры.Практическое использование вожделенной“левитации” на основе сверхпроводников изметалловиихпростыхсплавов(максимальная температура перехода 23 К)оставалось долгое время лишь дорогостоящейэкзотикой.
Но вот в сентябре 1986 г.появляется научное сообщение Г.Беднорца иА.Мюллера о том, что в керамическихобразцахнаосновеBa—La—Cu—Oвозможнавысокотемпературнаясверхпроводимость. Несмотря на осторожныйтон публикации, на указание лишь большойвероятностипереходаобразцоввсверхпроводящеесостояниепритемпературах 30—35 К, несмотря на скепсисбольшинства физиков по поводу открытия,оно все же состоялось и было отмеченоНобелевской премией в рекордно короткийсрок - через год! Пошел отсчет новой эры —высокотемпературнойсверхпроводимости(ВТСП).Вскоре стало ясно, что именно ВТСПматериалы могут быть принципиальноиспользованы (наяву, а не в фантастическомромане!) во множестве технологическихновшеств XXI в.
— от “левитирующих”поездовнамагнитнойподушкеиподшипников без трения до медицинскихтомографов, позволяющих контролироватьбиотоки человеческого мозга. Уэллс опередилсвоим “открытием” эпоху на 87 лет, однакоточность его предсказания поразительна.Даже сам процесс приготовления “кейворита”практическиполностьювоспроизводиттехнологиюреальнойкрупнокристаллическойсверхпроводящейкерамики,составляющей основу современных ВТСПматериалов: кристаллизацию продукта такжеведут из расплава примерно в течение недели,а для завершения процесса используетсяхимическаяреакцияокисленияприотносительно низких температурах.
Без такойобработкиматериалнестановитсясверхпроводникоминеспособен“левитировать” в магнитном поле. Однако вовсем этом нет никакой мистики и основнаязадача исследователей, в том числе и авторовстатьи, состояла в том, чтобы понять инаучиться безотказно управлять сложнымипроцессами, которые ведут к созданиюперспективныхдляпрактическогоприменения ВТСП-материалов.Наиболеемногообещающийспособприготовления современных “кейворитов” (аВТСП-керамик с различной структурой исвойствами создано теперь несколькодесятков) родился на стыке химии, физики иматериаловедения.
Cекрет заключается нестолько в получении ВТСП-вещества,сколько в создании на его основеопределенного материала. Этот секрет (как имножество других, утерянных тайн) мог бытьизвестен в глубокой древности. По преданию,саркофаглегендарногомусульманскогопророка Магомета висел в воздухе, не падаяна землю. В память об этой легендемагнитная“левитация”получиламрачноватое название “гроб Магомета”.В 1996 г. в Токио, в Международномцентресверхпроводимостибылапродемонстрирована магнитная левитациячеловека. “Подопытным кроликом” стал 142килограммовый борец сумо (национальногояпонского вида борьбы), а впоследствии — ивсе желающие, включая авторов настоящейфотографии. Борец левитировал, стоя намагнитном диске, который плавал над ВТСПпьедесталом, охлажденным кипящим жидкимазотом (–196°С).
Зазор между диском итумбой был совсем не мал — около 1 см. Это,конечно, потрясающий успех! Даже ребенокмог заставить вращаться левитирующегогиганта, и только незаметное глазусопротивление воздуха в конце концовтормозило его свободное вращение.26Кристаллическая структура РЗЭ-бариевых ВТСП-купратов.Обычные ВТСП-материалы, получаемыеметодомтвердофазногосинтеза,представляют собой керамику, в котороймикроскопические кристаллиты ВТСП-фазыразориентированы в пространстве друготносительно друга и слабо связаны междусобой (“сверхпроводящее стекло”). Проку оттакого материала для “левитации” мало,поскольку в нем очень невысока плотностькритического тока, а значит, мало имагнитноеполе,удерживающее“левитирующий” магнит. Сверхпроводящиеблоки, над которыми висел в воздухечемпион Страны восходящего солнца, имелисложную микроструктуру.
Исследователь,вооруженныймикроскопом,могбыобнаружить много очень интересных исовсем не случайных особенностей приразличных увеличениях: макро-, мезо- имикроуровни структуры.Во-первых,шестиугольныеблокитаблетки, из которых был сделан ВТСПпьедестал, состояли из крупнокристаллических доменов, причем каждый из нихпредставлял собой пачку гигантских (0.1—1см) пластинчатых кристаллитов — листочков,эпитаксиально (в одной кристаллографической ориентации) сросшихся параллельнодруг другу. Во-вторых, материал былкомпозитом, в сверхпроводящей матрицекоторогоравномернораспределенынанодисперсные включения несверхпроводящих частиц.
Границы таких включенийслужили центрами пиннинга магнитногопотока, частично проникающего в образецпри приближении магнита. В результатесверхпроводимость материала сохранялась, азначит, в тонком поверхностном слое образцапротекал ток, магнитное поле которогоэкранировало (совсем как в фантастическомкейворите) поле внешнее. Именно этопозволилооблечьВТСП-материалвпродуманнуюформуиполностьюреализовать потенциал физического явления,которое демонстрируют ВТСП-фазы привысоких температурах. Такой материалможет спокойно висеть над и под магнитом, атакже от малейшего толчка вращаться ввоздухе в любом положении, презирая силувсемирного тяготения.Каким же способом создана такаямногоуровневая, сложная “архитектоника”материала? Почти единственный путьполучениямикроструктуры—кристаллизация расплава, так как в немскорость диффузии компонентов гораздовыше, чем в твердом теле.
Кроме того, из-заотносительно малой вязкости расплававозможна “подстройка” формирующихсяанизотропныхкристаллитовдруготносительно друга, как совпадающих частеймозаики. Все это вместе и создаетпредпосылки для образования оптимальноймикроструктуры ВТСП-материала. Ансамблипсевдомонокристаллических доменов, размеркоторых может достигать 0.5 – 5 см, являютсяосновным мотивом микроструктуры в случаекрупнокристаллическойВТСП-керамики,полученной из расплава. Каждый доменявляется агрегатом ламелей (5-50 нм) фазыRBa2Cu3Oz.Пластинкиориентированыпараллельно друг другу и разделенымалоугловыми границами, что делает ихпроницаемымидляпротеканиятока.МикроструктураВТСП-керамики,текстурированнойсиспользованиемрасплавныхметодов,характеризуетсясуществованиемразличныхтиповпротяженныхдефектов,такихкакдвойниковые границы, высокодисперсныевключениянесверхпроводящихфаз,дислокации, микро- и макротрещины,связанные с высокой хрупкостью фазRBa2Cu3Oz.Такимобразом,реальнаяструктура ВТСП-керамики, полученной израсплава, может быть рассмотрена каксистемасярковыраженными«коллективными»сверхпроводящимисвойствами,являющимисярезультатомспецифических механизмов кристаллизации.Псевдомонокристаллическиедоменыобразуют макроскопические агрегаты, черезкоторые потенциально могут протекатьбольшие токи, поскольку микроструктурноони представляют собой систему с чистымисверхпроводящими границами и двуоснотекстурированными кристаллитами.
Большоеколичестводефектовспособствуетобразованию системы эффективных центровпиннинга.Прошло более пяти лет c момента, когда всемействе купратных сверхпроводников,содержащих РЗЭ, заявил о себе новый лидер– Nd123. Его не открывали заново, просто онсамприоткрылновыегранисвоихвозможностей. Казалось бы, изменениеионного радиуса РЗЭ всего на 10% (всравнении с классическим ВТСП – Y123) неспособно внести радикальных изменений вхарактеристики. Однако, только не в случаеNd123. Технически основное преимуществоNd123 – в наличии аномального пик-эффекта,состоящеговзначительномусилениивнутризеренных токов за счет образованияэффективныхцентровпиннинга,начинающих работать при температурежидкого азота в полях порядка единиц Тесла.А именно этот диапазон полей представляетинтерес для многих возможных техническихприменений ВТСП (маглевы, маховикиаккумуляторы электрической энергии и т.д).Это обстоятельство одновременно с успехомв разработке воспроизводимой лабораторнойтехнологии получения Nd123 всколыхнулоновую волну интереса к ВТСП какпрактически значимого материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
