Phát triển vật liệu siêu dẫn hướng đến ứng dụng thương mại

Các nhà nghiên cứu đến từ đại học Cambridge mới đây đã tạo ra một loại vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao với khả năng tạo ra một từ trường có độ lớn 17,6 Tesla, phá vỡ kỷ lục được thiết lập trong phòng thí nghiệm cách đây một thập kỷ. Theo các nhà nghiên cứu, đây sẽ là một bước tiến quan trọng nhằm đưa vật liệu siêu dẫn đến gần với các ứng dụng thực tế như chế tạo các lưới điện thông minh quy mô lớn, tàu đệm từ maglev và bánh đà lưu trữ năng lượng.

Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911, vật liệu siêu dẫn là một lớp các vật liệu bao gồm thuỷ ngân và chì. Khi được làm lạnh xuống điểm 0 tuyệt đối (- 273 độ C), chúng có thể dẫn điện với điện trở bằng 0. Ngày nay, những vật liệu này được sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh dùng trong các thiết bị ảnh hoá cộng hưởng từ tính (MRI), tàu đệm từ maglev và các thiết bị tạo từ trường hình xuyến Tokamak trong các lò phản ứng hạt nhân. Trong tương lai, vật liệu siêu dẫn còn có thể được dùng để tăng hiệu suất cho các lưới điện bằng khả năng truyền dẫn một lượng điện rất lớn với tỉ lệ thất thoát rất thấp.

Vào cuối những năm 1980, các nhà khoa học tiếp tục tìm ra một lớp vật liệu mới sở hữu các đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ tối đa 130 độ K - trên điểm 0 tuyệt đối. Đây được gọi là các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) và rất có tiềm năng với các ứng dụng thực tế bởi chúng có thể được làm lạnh với nitơ lỏng thay vì heli lỏng, qua đó vật liệu dễ chế tạo và chi phí vận hành cũng rẻ hơn.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại đại học Cambridge đã tìm cách tạo ra một vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao với khả năng phát ra một từ trường có độ lớn đến 17,6 Tesla. Từ trường lớn là yêu tố thiết yếu ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn điện của vật liệu và mặc dù độ lớn của từ trường do vật liệu tạo ra lần này chỉ hơn kỷ lục cũ 0,4 Tesla nhưng đây vẫn được xem là một bước tiến quan trọng hướng đến các vật liệu siêu dẫn rẻ hơn và hiệu quả hơn.

Để đạt được kỷ lục mới, nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi giáo sư David Cardwell thuộc khoa kỹ thuật tại đại học Cambridge đã sử dụng một mẫu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có kích thước bằng một quả bóng golf với thành phần là Gadolinium barium copper oxide (GdBaCuO).

Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng như GdBaCuO hiện đang được sử dụng trong một số ứng dụng nhất định. Một ví dụ là máy gia tốc hạt Large Hedron Collider hiện đang dùng hệ thống cáp điện dài 10km có lõi bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng. Tuy nhiên, các vật liệu này khá dễ vỡ và việc phải tạo ra một từ trường rất mạnh khiến vật liệu có thể phát nổ.

Cardwell cùng các cộng sự đã khắc phục trở ngại này bằng cách gia cố GdBaCuO với một lớp thép không ghỉ dày 3mm và điều chỉnh cấu trúc micro của vật liệu để tăng hiệu quả truyền dẫn điện và nhiệt. Kết quả là vật liệu vốn rất giòn như gốm nhưng lại có khả năng chịu được một lực tương đương 3 tấn.

Từ những kết quả này, nhóm nghiên cứu cho rằng các vật liệu siêu dẫn sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thương mại trong vòng 5 năm tới. Giáo sư Cardwell nói: "Các ứng dụng khai thác hiệu năng của vật liệu siêu dẫn nói trên bao gồm tàu đệm từ maglev và bánh đà lưu trữ năng lượng. Chúng sẽ sử dụng các khối siêu vật liệu để nâng và làm xoay một khối lượng mà không cần đến một kết cấu chịu lực cơ học".

Nghiên cứu của đại học Cambridge cũng đã vừa được đăng tải trên tạp chí Superconductor Science and Technology.