29 ژوئن 2022 -توسط الکساندرا فرایبوت، آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام
آلومینیوم فقط یک سوم قیمت و وزن مخصوص مس است، اما تنها حدود 60 درصد رسانا است. رسانایی نسبتا کم آلومینیوم می تواند در برخی از کاربردهای دنیای واقعی یک محدودیت باشد. اعتبار: شانون کولسون | آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام
در دنیای برق، مس در حال حاضر پادشاه است. این می تواند با تحقیقات جدید آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) که دستور العملی برای افزایش رسانایی آلومینیوم ارائه می دهد و آن را از نظر اقتصادی با مس رقابت می کند، تغییر کند. این تحقیق راه را برای آزمایش‌هایی باز می‌کند که – در صورت تحقق کامل – می‌توانند به یک جایگزین آلومینیومی فوق‌رسانا برای مس منجر شوند که در بازارهای فراتر از خطوط انتقال، متحول کردن وسایل نقلیه، الکترونیک و شبکه برق مفید باشد.
Keerti Kappagantula دانشمند مواد PNNL و یکی از نویسندگان این تحقیق می‌گوید: “اگر می‌توانستید آلومینیوم را رساناتر کنید – حتی 80٪ یا 90٪ به اندازه مس رسانا می‌شود؟ می‌توانید مس را جایگزین کنید و این تفاوت زیادی ایجاد می‌کند زیرا آلومینیوم رسانای بیشتر سبک‌تر، ارزان‌تر و فراوان‌تر است.” “این مشکل تصویر بزرگی است که ما در تلاش برای حل آن هستیم.”
مس در مقابل آلومینیوم
تقاضای مس به سرعت از موجودی فعلی آن پیشی می گیرد و هزینه آن را بالا می برد. مس یک رسانای الکتریکی عالی است – از آن در همه چیز از وسایل الکترونیکی دستی گرفته تا کابل‌های انتقال زیر آب که انرژی اینترنت را تامین می‌کنند استفاده می‌شود – اما از این واقعیت که مس کمتر در دسترس و گران‌تر می‌شود، گریزی نیست. انتظار می رود این چالش ها تنها با افزایش تعداد وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) بدتر شوند که دو برابر وسایل نقلیه سنتی به مس نیاز دارند. به علاوه، مس سنگین است که کارایی خودروهای الکتریکی را کاهش می دهد.
آلومینیوم فقط یک سوم قیمت و وزن مس است، اما تنها حدود 60 درصد رسانا است. رسانایی نسبتا کم آلومینیوم می تواند در برخی از کاربردهای دنیای واقعی یک محدودیت باشد.
Kappagantula گفت: “رسانایی کلیدی است زیرا یک سیم با وزن سبک تر با رسانایی معادل می تواند برای طراحی موتورهای سبک تر و سایر اجزای الکتریکی استفاده شود، بنابراین وسیله نقلیه شما می تواند مسافت های طولانی تری را طی کند.” همه چیز از وسایل الکترونیکی ماشین گرفته تا تولید انرژی و انتقال آن انرژی به خانه شما از طریق شبکه برای شارژ باتری ماشین شما – هر چیزی که با برق کار می کند – همه می توانند کارآمدتر شوند.”
افزایش رسانایی آلومینیوم یک تغییر بازی خواهد بود.
Kappagantula توضیح داد: “سالها فکر می کردیم که فلزات را نمی توان رساناتر ساخت. اما اینطور نیست.” “اگر ساختار فلز را تغییر دهید و مواد افزودنی مناسب را معرفی کنید، در واقع می توانید بر خواص آن تاثیر بگذارید.”
برای شروع کشف میزان رسانایی آلومینیومی که می‌توان افزایش داد، آدیتیا نیتالا، محقق فوق‌دکتری PNNL با پروفسور برجسته دیوید درابولد و دانشجوی فارغ‌التحصیل کاشی سوبدی از دانشگاه اوهایو همکاری کردند تا اثرات دما و نقص‌های ساختاری در رسانایی آلومینیوم را شناسایی کنند. یک دستور اتم به اتم برای افزایش رسانایی آن ایجاد کنید.
یک موفقیت مدل
این نوع شبیه‌سازی مولکولی قبلاً برای فلزات انجام نشده بود، بنابراین محققان باید با خلاقیت کار می‌کردند. آنها برای الهام به نیمه هادی ها نگاه کردند زیرا تحقیقات قبلی با موفقیت رسانایی را در این مواد مبتنی بر سیلیکون و برخی اکسیدهای فلزی شبیه سازی کرده بود. این تیم این مفاهیم را برای کار با آلومینیوم تطبیق دادند و شبیه‌سازی کردند که اگر اتم‌های منفرد در ساختار آن حذف یا مرتب شوند، چه اتفاقی برای رسانایی فلز می‌افتد. این تغییرات کوچک به دستاوردهای بزرگی در رسانایی کل اضافه شد.
توانایی این مدل برای شبیه سازی شرایط دنیای واقعی حتی تیم را شگفت زده کرد. Kappagantula گفت: “ما فکر نمی کردیم که این نتایج تا این حد به واقعیت نزدیک باشد.” این شبیه‌سازی مدل که بر اساس ساختار اتمی و حالت‌های مختلف آن است، بسیار دقیق است—من می‌گفتم: وای، دقیقاً روی هدف است. خیلی هیجان انگیز است.”
با یک دستور نظری برای تغییر رسانایی فلز که اکنون مشخص شده است، محققان قصد دارند ببینند که چقدر می توانند رسانایی آلومینیوم را در آزمایشگاه افزایش دهند تا تئوری را با نتایج تجربی مطابقت دهد. آنها همچنین در حال بررسی امکان افزایش رسانایی سایر فلزات با استفاده از شبیه سازی های مشابه هستند.
این تحقیق در Physical Review B منتشر شده است و این تیم انتظار دارد که آلومینیوم رسانای بیشتر پیامدهای گسترده‌تری داشته باشد – هر برنامه‌ای که از برق یا مس استفاده می‌کند می‌تواند از توسعه آلومینیوم ارزان‌قیمت، سبک و فوق‌رسانا سود ببرد.
