Na czym w ogóle polegały badania prowadzone przez naukowców z Pacific Northwest National Laboratory? Piszą o tym na łamach Materials & Design, wyjaśniając, że kluczem do sukcesu okazał się łatwo dostępny związek węgla. To właśnie jego obecność sprawia, że zauważalnie rośnie przewodność elektryczna miedzi.
Czytaj też: Materiały kwantowe nie mają już tajemnic. To zasługa nowego narzędzia
Magicznym składnikiem okazał się grafit, powszechnie stosowany na przykład w produkcji ołówków. W tym przypadku mowa natomiast o wzroście wskaźnika zwanego temperaturowym współczynnikiem rezystancji. Odnosi się on do względnej zmiany rezystancji danego materiału przy zmianie temperatury o 1 stopień Kelwina.
Zmniejszając współczynnik rezystancji można zwiększyć zdolność metalu do przewodzenia prądu elektrycznego. Ale czy da się zwiększyć przewodność metalu poprzez wymieszanie go z innymi materiałami? Gdyby tak się stało, to pojawia się pytanie, czy będzie to opłacalne na tyle, aby wykorzystać podobne rozwiązanie na większą skalę, w komercyjnych zastosowaniach.
Przewodność miedzi można zwiększyć poprzez dodanie grafenu, co doprowadzi do zastosowań w wielu różnych dziedzinach
Dzięki platformie ShAPE okazało się to wykonalne, co członkowie zespołu badawczego wykazali w praktyce. W toku eksperymentów dodali 18 części na milion grafenu do miedzi, dzięki czemu temperaturowy współczynnik rezystancji spadł o 11 procent. Jednocześnie nie odnotowano spadku przewodności elektrycznej w temperaturze pokojowej. Gdyby taki wzrost w przypadku silników montowanych w pojazdach elektrycznych, to 11-procentowy wzrost przewodności elektrycznej uzwojenia drutu miedzianego doprowadzi do 1-procentowego wzrostu wydajności silnika.
Naukowcy zauważają, że opisywane zjawisko stoi w sprzeczności z przewidywaniami, ponieważ zazwyczaj temperaturowy współczynnik oporu rezystancji rośnie, gdy do metalu zostaną dodane inne składniki. W konsekwencji takie elementy nagrzewają się szybciej, co nie jest pożądanym zjawiskiem. W tym przypadku było natomiast zupełnie inaczej, czego najlepszym przykładem jest powstała mikrostruktura – jednolita i niemal pozbawiona porów. W połączeniu z grafenem, taki materiał zapewnia obniżony współczynnik rezystancji miedzi.
Czytaj też: Chiny znów na prowadzeniu. Energetyka w kraju pnie się na nowe wyżyny
Powstałe w takich okolicznościach druty kompozytowe miedź-grafen powinny mieć całą gamę zastosowań. Lista jest długa, ponieważ autorzy mówią o możliwości wykorzystania tego konceptu wszędzie tam, gdzie wykorzystywany jest prąd elektryczny. Jednym z przykładów okazują się silniki, które zazwyczaj są przystosowane do pracy w ograniczonym zakresie temperatur. To ze względu na fakt, że wraz ze wzrostem temperatury dochodzi do spadku przewodności elektrycznej. Dzięki nowemu podejściu możliwe będzie natomiast zwiększenie zakresu temperatur, w którym będą pracowały silniki, nie tracąc przy tym przewodności. Poza tym wyobraźmy sobie takie nowatorskie druty wykorzystane do tworzenia linii energetycznych, które mogłyby spełniać zapotrzebowanie na energię w coraz bardziej zaludnionym świecie.
