חוקרים גילו שהפעלת לחץ על סרטי ננו של טיטניום וגופרית (TiS3) הופכת אותם ממבודדים למוליכי-על שיכולים להעביר חשמל ללא אובדן אנרגיה. לפריצת הדרך הזו, המפורטת בכתב העת Nano Letters, יש השלכות משמעותיות על העברת הכוח ועשויה לחולל מהפכה בתחומים טכנולוגיים שונים על ידי פיתוח חומרים מוליכים-על חדשים. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר הראה שדחיסה של ננו-סרטי TiS3 הופכת אותם ממבודדים למוליכי-על, מה שמאפשר העברת חשמל ללא אובדן אנרגיה. גילוי זה פותח אפשרויות חדשות לקידום טכנולוגיות חסכוניות באנרגיה ומדע החומרים.
על פי מחקר בכתב העת אותיות ננודחיסת ננו-סרטים העשויים מטיטניום וגופרית יכולה לשנות באופן משמעותי את תכונותיהם, ולהפוך אותם לחומרים המסוגלים להוליך חשמל ללא אובדן אנרגיה.
המחברים גילו את התגלית במהלך החיפוש המדוקדק שלהם אחר חומרים חדשים שיכולים להעביר חשמל ללא אובדן אנרגיה, נושא חם שרודף זמן רב את הקהילה המדעית.
"המחקר שלנו מתמקד בחומר אחד מבטיח כזה: TiS3 ננו-סרטים, שהם מבנים זעירים דמויי סרט העשויים מטיטניום וגופרית. במצבם הטבעי, TiS3 ננו-סרטים פועלים כמבודדים, כלומר אינם מוליכים חשמל היטב", אומר מחמוד רבי עבד אל-חאפז, פרופסור חבר במחלקה לפיזיקה שימושית ואסטרונומיה באוניברסיטת שרג'ה.
"עם זאת, גילינו שעל ידי הפעלת לחץ על סרטי הננו הללו, נוכל לשנות באופן דרמטי את התכונות החשמליות שלהם", מוסיף עבד אל-חאפז, המחבר הראשי של המחקר.
ממצאים ניסויים
המדענים חשפו את TiS3 ללחץ הדרגתי. כשהם הגבירו את הלחץ, הם גילו שה-TiS3 המערכת עברה לראשונה סדרה של מעברים, מהיותם מבודדים להפיכתם למתכות ומוליכי-על.
TiS3 ידוע כי חומרים עובדים כמבודדים טובים, אך זו הפעם הראשונה שמדענים גילו שבלחץ הם יכולים לתפקד כמוליכי-על, מה שסוללים את הדרך לפיתוח חומרים מוליכים-על.
(א) דיאגרמת פאזה של טמפרטורה-לחץ של TiS3. (ב) צילום ותמונת SEM של מיקרו-מבנה מעין-1D. קרדיט: Nano Letters (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824
"מוליכי-על הם מיוחדים מכיוון שהם יכולים להוליך חשמל ללא אובדן אנרגיה, וזה בעל ערך רב ליישומים טכנולוגיים", אומר עבד אל-חאפ. "(אבל) תארו לעצמכם עולם שבו ניתן להעביר כוח חשמלי מבלי שאנרגיה תתבזבז כחום. זה יעשה מהפכה באופן שבו אנו משתמשים ומפיצים חשמל, מה שיהפוך כל דבר, מרשתות חשמל ועד מכשירים אלקטרוניים, ליעיל הרבה יותר."
זה בדיוק הפוטנציאל הזה שהכותבים מציגים כפריצת דרך: הפוטנציאל של TiS3 להפוך לחומרים שאינם גורמים לפסולת בעת העברת חשמל. על ידי שליטה קפדנית בלחץ המופעל על חומרים אלה, המחברים זיהו את הנקודות המדויקות שבהן הם השתנו ממצב אחד לאחר.
"זה משמעותי מכיוון שהבנת המעברים האלה עוזרת לנו ללמוד כיצד לתפעל חומרים אחרים בדרכים דומות, ומקרבת אותנו לגילוי או תכנון של מוליכים חדשים שיכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ובתנאים מעשיים יותר", מציין עבד אל-חאפ.
המחקר מראה כי TiS3 יש פוטנציאל להפוך לחומרים כאלה כאשר הם נתונים לתנאים הנכונים. על ידי הגברת הלחץ על החומרים שנחקרו בהדרגה, הבחינו המחברים שהם עברו מלהיות מבודדים (מוליכים גרועים) למתכות (מוליכים טובים) ולבסוף למוליכי-על (מוליכים מושלמים ללא אובדן אנרגיה).
מגלה את ה-TiS הזה3 חומרים יכולים להפוך למוליכי-על תחת לחץ, בטוח יעזור למדענים להבין יותר את התנאים הנדרשים למוליכות-על. הידע הזה חיוני לפיתוח חומרים חדשים שעשויים להיות מוליכים בטמפרטורות גבוהות ומעשיות יותר, טוענים המחברים.
מאמצים משותפים וצפי עתיד
"מחקר זה לא רק משפר את ההבנה שלנו לגבי מוליכות-על, אלא גם מדגים את הכוח של שיתוף פעולה בינלאומי בהשגת תוצאות מדעיות פורצות דרך", מאשר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת אופסלה בשוודיה, מחבר שותף
הפרויקט הוא חלק ממסע המחקר של אוניברסיטת שארג'ה לפיתוח חומרים שיכולים להעביר חשמל ללא אובדן אנרגיה, ומציע תובנות חדשות כיצד לחץ יכול לשנות את התכונות החשמליות של TiS3 סרטי ננו.
שלבים הנגרמות על ידי לחץ של TiS3. (א) סריג גביש מונוקליני של TiS3 (קבוצת שטח של P21/m (סוג-I)) בלחץ נמוך. התיבה האפורה מתארת את תא היחידה המחזורית. אורך הקשר 1 (מגנטה) הוא 2.67 Å, בעוד שהקשרים 2, 3 ו-4 (כחול כהה) הם באורך ממוצע של 2.49 Å. כדי להראות בבירור את השרשראות ה-1D המוטבעות, אנו משתמשים באטומי S בצבע חום וצהוב כדי להבדיל בין שתי השרשראות השונות (אך המקבילות) בתוך תא יחידה מחזורי. צמד S–S (מסומן בכתום) מחבר בין אטומי S המחוברים לאותו Ti. (ב) משמאל: תצלום של מיקרו-מבנה Q1D TiS3 (נראה כקו כהה) על נייר לבן. מימין: תמונת SEM של שפם TiS3 בלחץ נמוך. (ג) סריג גביש מונוקליני של TiS3, P21/m (סוג II), בלחץ ביניים. התיבה האפורה מתארת את תא היחידה המחזורית. הקשר S–S (מסומן בסגול) מחבר בין אטומי S המחוברים ל-Ti שונה. (ד) סריג גביש מעוקב של שלב הלחץ הגבוה (קבוצת שטח של Pm3m) בייצוג הכדור והמקל. (ה) סריג גביש מעוקב בייצוגים הפוליהדריים. קרדיט: Nano Letters (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824
המחקר הוא מאמץ משותף בו לקחו חלק מדענים משבדיה, סין ורוסיה. "התקדמות זו לא רק פורצת את גבולות מדע החומר אלא גם טומנת בחובה יישומים פורצי דרך בתחומים שונים, כולל העברת אנרגיה ומכשירים אלקטרוניים", אומר עבד אל-חאפ.
על השיטה שאומצה לביצוע המחקר, כותבים המחברים כי הם נקטו "גישות ניסויות ותיאורטיות כדי לחקור באופן מקיף את התנהגות הלחץ הגבוה של המאפיינים האלקטרונים של TiS3מוליך למחצה חד מימדי (Q1D), על פני טווחי טמפרטורות שונים.
"באמצעות התנגדות חשמלית בלחץ גבוה ומדידות מגנטיות בלחצים גבוהים, אנו חושפים רצף ייחודי של מעברי פאזה בתוך TiS3הכוללת טרנספורמציה ממצב מבודד בלחץ הסביבה להופעתו של מצב מוליך-על מתחיל מעל 70 GPa."
לדברי עבד אל-חאפ, המחקר סולל את הדרך למציאת מוליכי-על חדשים, את המצוד שאחריו השווה ל"חיפוש הגביע הקדוש במדעי החומרים, מכיוון שחומרים אלה יכולים להוליך חשמל ללא כל אובדן אנרגיה. זה חיוני מכיוון שהוא יכול להוביל להעברת כוח יעילה להפליא ולהתקדמות טכנולוגית רבות".
עם זאת, המחברים מציינים כי יש צורך במחקר נוסף כדי להבין כיצד מוליכי-על אלו פועלים ואת התיאוריות שמאחוריהם, נושאים שעדיין מתווכחים בלהט בספרות. "במאמר המחקר שלנו על TiS3 חומרים, גילינו שאנחנו יכולים לשנות את התכונות החשמליות שלהם באופן דרמטי.
"לחומרים אלה יש פוטנציאל לחולל מהפכה בהולכת החשמל בכך שהם מאפשרים הולכת חשמל ללא כל אובדן אנרגיה. בנוסף, הם יכולים לקדם טכנולוגיות בתחום הדמיה רפואית, מכשירים אלקטרוניים ומערכות תחבורה כמו רכבות מגלב", אומר עבד אל-חאפז.
המחברים אופטימיים לגבי ההשלכות של הממצאים שלהם. הם מציינים, "הממצאים שלנו מספקים ראיות משכנעות לכך שמוליכות-על בטמפרטורות נמוכות של ~2.9 K היא מאפיין בסיסי של TiS3שופך אור חדש על המאפיינים האלקטרוניים המסקרנים בלחץ גבוה של TiS3."
