علم المواد
النيكلات ثنائية الطبقات: فئة جديدة من الموصلات الفائقة عالية الحرارة
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
حدود الموصلية الفائقة
كانت الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحويلاً في التاريخ، حيث سمحت بنقل شكل مفيد للغاية من أشكال الطاقة لمسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي "عادي" يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد الحرارة عند تطبيق تيار كهربائي.
هناك بديل آخر: ما يسمى بالمواد الفائقة التوصيل. تتمتع المواد الفائقة التوصيل بمقاومة كهربائية تساوي صفرًا، مما يسمح باستخدام تيارات قوية للغاية دون توليد حرارة.
بدون الموصلية الفائقة، لن يكون من الممكن وجود الكثير من التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك مسرعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN), التصوير بالرنين المغناطيسي، و قطارات ماجليف.
ستكون الموصلية الفائقة مكونًا أساسيًا للمشاريع الضخمة والابتكارات التكنولوجية الواعدة، مثل ايتر و الانصهار النووي, سائقي الكتلة, أجهزة الكمبيوتر الكم، الخ.
يمكن أن تكون خطوط الطاقة الكهربائية الخالية من الخسائر أيضًا حاسمة في تطوير اتصالات الشبكة الطويلة للغاية التي تساعد في حماية إنتاج الطاقة المتجددة من الظروف الجوية والمناطق الزمنية، وحل بعض القيود المفروضة على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
المصدر معادن إكسوت
ومع ذلك، لم يتم إتقان الموصلية الفائقة حتى الآن إلا للمواد التي تظهرها عند درجات حرارة منخفضة للغاية، بالكاد بضع درجات فوق الصفر المطلق، أو تحت ضغط مرتفع للغاية.
وهذا لا يجعلها معقدة للغاية فقط لأي تطبيقات، بل حتى التطبيقات الأكثر تطلبًا (الماجليف، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وما إلى ذلك)، ولكنها أيضًا مكلفة للغاية، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي يمكن أن تستفيد من المواد الفائقة التوصيل أو أي استخدام واسع النطاق.
طرق عديدة للوصول إلى الموصلية الفائقة
يبدو الآن أن المادة المنتجة تحت ضغط مرتفع قد تكون قادرة على الاحتفاظ ببعض من موصليتها الفائقة عند ضغط أقل، من خلال طريقة تجريبية تسمى بروتوكول إخماد الضغط (PQP).
مؤخراً، حقق محل الطبقة الثنائية الملتوية من WSe2 (التنغستن والسيلينيوم) ويبدو أنها مادة جيدة مرشحة للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية أيضًا.
وبعد سنوات من التقدم البطيء، يبدو أن علماء الفيزياء بدأوا في اكتشاف طرق جديدة تمامًا لإنشاء مواد فائقة التوصيل. والآن أضيفت مادة جديدة إلى القائمة، وهي عائلة جديدة من المواد الفائقة التوصيل التي تحتوي على النيكل.
اكتشف باحثون صينيون في جامعة العلوم والتكنولوجيا الجنوبية في شنتشن وجامعة تسينغهوا أن الموصلات الفائقة المكونة من النيكل ثنائي الطبقة توصل الكهرباء بدون مقاومة، فوق الصفر المطلق وفي الضغط المحيط.1
ونشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة "نيتشر" تحت عنوان "بداية الموصلية الفائقة للضغط المحيط فوق 40 كلفن في أغشية (La,Pr)3Ni2O7".
الموصلات الفائقة غير الباردة
قد تصبح الموصلية الفائقة عالية الحرارة خيارًا في يوم من الأيام، ولا سيما مع الحالة المحيرة لـ LK-99 (شكل من أشكال أباتيت الرصاص المستبدل بالنحاس - CSLA)، وهو نوع جديد من الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط.
تم الطعن في هذا الادعاء على الفور وانتقاده باعتباره خدعة أو خطأ في القياس، ولكن ثم اكتشف باحثون آخرون أنه قد يحدث شيء ما بعد كل شيء.
ولكن هذه ليست الفئة الوحيدة من الموصلات الفائقة التي يمكنها العمل في درجات حرارة أعلى.
تم اكتشاف مؤخرا أن مجموعتين من السيراميك (كوبريتات أساسها النحاس وبنيكتيدات أساسها الحديد) تعمل كموصلات فائقة غير تقليدية تعمل عند ضغط الغرفة وفي درجات حرارة تصل إلى 150 درجة كلفن (-123 درجة مئوية / -189 درجة فهرنهايت).
المصدر مواد اليوم
والآن، يبدو أن النيكلات تنضم إلى هذه السيراميكيات لتكوين مادة تعمل كموصلات فائقة في درجات الحرارة الأعلى.
على الرغم من أنها ليست دافئة جدًا، إلا أنه من الأسهل بكثير الوصول إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالموصلات الفائقة الحالية. على سبيل المثال، المغناطيسات الفائقة التوصيل في ايتر وسوف تحتاج إلى تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق باستخدام الهيليوم السائل، وهي عملية مكلفة للغاية وتستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة.
وبشكل عام، يشير هذا إلى أن الموصلات الفائقة من المرجح أن تصبح أكثر شيوعاً في الأمد المتوسط، مع اكتشاف العديد من أشكالها وتجربتها.
النيكلات الفائقة التوصيل
اكتشف دانفينج لي، الفيزيائي بجامعة مدينة هونغ كونغ، وزميله عام ٢٠١٩، أن النيكلات تتمتع بخواص موصلية فائقة محتملة. وفي عام ٢٠٢٣، أثبت فريق آخر الموصلية الفائقة للنيكلات عند درجات حرارة أعلى، ولكن تحت ضغط عالٍ.
المصدر الطبيعة
ولكن في ديسمبر 2024 تم الكشف لأول مرة عن النيكلات التي فقدت مقاومتها عند درجة حرارة حرجة وأطلقت مجالات مغناطيسية، وكلاهما مؤشران قويان على الموصلية الفائقة.
لتحقيق هذه النتيجة، تمت زراعة أغشية أحادية البلورة من La2.85Pr0.15Ni2O7 (اللانثانوم - البراسيوديميوم - النيكل) باستخدام تقنية تسمى التكاثر الذري طبقة تلو الأخرى بالتأكسد العملاق (GOALL-Epitaxy)تم تطوير هذه التقنية من قبل نفس فريق الباحثين وتوفر أكسدة أقوى بعدة مرات من حيث الحجم ودقة في إنتاج طبقات من المواد على المستوى الذري.
المصدر بوابة البحث
تم استخدام طرق تحليلية متقدمة لدراسة المركب القائم على النيكل، بما في ذلك صور المجهر الإلكتروني الناقل الماسح (STEM) وخرائط الفضاء المتبادلة للأشعة السينية (RSMs).
وكشفوا عن ظهور طور رباعي الشكل في طبقة أكسيد النيكل، والذي قد يكون مسؤولا عن التدفق الحر للإلكترونات في الظروف المناسبة.
تحسين المواد الفائقة التوصيل
يمكن تحسين الطريقة المستخدمة كاختبار أولي لتحسين خصائص النيكلات بشكل أكبر. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى إجراء اختبارات متعددة لرفع درجة حرارة هذه الموصلات الفائقة بشكل أكبر.
"هناك أمل كبير في أن نتمكن في نهاية المطاف من رفع درجة الحرارة الحرجة وجعل مثل هذه المواد أكثر فائدة للتطبيقات."
دانفينج لي - فيزيائي في جامعة مدينة هونج كونج.
يشير التحليل إلى أن العملية التي تمنح النيكلات الموصلية الفائقة تشبه العملية التي تؤثر على الكوبريتات (المصنوعة من النحاس).
"إن زيادة هذه النسبة تشكل أولوية. ويحاول الفريق استخدام حيل مختلفة لتعديل طريقة زراعة المادة وتركيبها الدقيق."
تشويو تشين – فيزيائي في جامعة سنغافورة للتكنولوجيا
التجارب قبل النظرية
تجدر الإشارة إلى أن النتائج الأخيرة فيما يتعلق بالموصلات الفائقة عند درجات حرارة أعلى، أو حتى الموصلات الفائقة المحتملة عند درجة حرارة الغرفة، تتقدم على الفيزياء النظرية في هذا المجال.
لذا، فإن السبب وراء نجاح هذه العملية لا يزال لغزًا إلى حد كبير. ولا يوجد حتى الآن تفسير كامل لسبب كون هذه المواد موصلات فائقة، كما لا توجد طريقة تنبؤية للتنبؤ بالمواد التي قد تظهر هذه الخصائص.
حتى الآن، كانت الحاجة إلى ظروف الضغط العالي أو البرودة الفائقة قد أضعفت بشدة دراسة هذه المواد، حيث كان من الصعب اختبار أي شيء عندما تحدث الموصلية الفائقة فقط في سندان الماس أو الهيليوم السائل.
إن توفير الظروف الأسهل للحفاظ عليها من شأنه أن يمنح العلماء مجالاً أكبر لدراسة هذه المواد وتعديلها.
وهذا يترك مجالًا كبيرًا للتحسين، والفهم الأفضل لهذه المواد، بما في ذلك بمساعدة الذكاء الاصطناعي، من شأنه أن يساعد في المضي قدمًا.
كما ينبغي أن يؤدي ذلك إلى زيادة عدد الباحثين العاملين في هذا المجال وزيادة عدد الشركات التي تصب ميزانيات البحث والتطوير في هذه المشاريع، مما يؤدي إلى تسريع وتيرة التقدم.
تطبيقات المستقبل
ستكون الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية بمثابة مادة عجيبة إذا تم فهمها بشكل جيد بما يكفي لتصنيعها على نطاق واسع.
وسيكون التأثير الفوري الأول هو خفض تكلفة المعدات التي تستفيد بالفعل من الموصلية الفائقة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، والقطارات المغناطيسية المعلقة، والتوربينات والمولدات المتقدمة، ومسرعات الجسيمات، ومفاعلات الاندماج التجريبية، وما إلى ذلك.
ومن شأنه أيضًا أن يجعل من الممكن تنفيذ تكنولوجيا لم يكن من الممكن تنفيذها على الإطلاق حتى الآن أو كانت باهظة التكلفة للغاية بسبب القيود التقنية للموصلات الفائقة منخفضة الحرارة.
هذا يتضمن قطارات هايبرلوب, محركات الكتلة للوصول إلى المدار, الاندماج النووي التجاري، والشبكات الكهربائية بين القارات، وما إلى ذلك. كل واحدة منها هي تقنية من شأنها أن تغير إلى الأبد مسار الحضارة الإنسانية.
رواد في حلول الموصلية الفائقة
شركة الموصلات الفائقة الأمريكية
(AMSC )
AMSC هي شركة تقدم حلول الطاقة لشبكات الطاقة والسفن وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام يحتاج إلى طاقة أكبر أو ضخمًا، كلما كان يتطلب تقنية التوصيل الفائق لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.
على الرغم من اسمها، لا توفر ASMC أنظمة الموصلات الفائقة فحسب، بل توفر أيضًا، على سبيل المثال، مجموعات نقل الحركة لتوربينات الرياح.
تستفيد الشركة من محركات النمو المتعددة، بدءًا من اتجاه الكهربة والرقمنة (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، ولكن أيضًا إعادة قدرات التصنيع الأمريكية إلى الداخل والحاجة إلى تحديث القوات البحرية في العالم الناطق باللغة الإنجليزية استجابة للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.
وفي قطاع إمدادات الطاقة، شهدت شركة AMSC ارتفاعًا ثابتًا في الطلبات. وكان هذا مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى إلى الحماية من تقلبات شبكة الطاقة، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمدادات الطاقة والتحكم فيها في المواقع الصناعية.
في قطاع توربينات الرياح، تنشط AMSC بشكل رئيسي في مجال أنظمة التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيًا، كان نظام التحكم الكهربائي قطاعًا قويًا بالنسبة للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاوات، لكنه تراجع تدريجيًا. تهدف AMSC إلى التعافي بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 ميجاوات، مع التركيز بشكل خاص على السوق الهندية.
المصدر: شركة American Superconductor Corporation
بالنسبة للسفن العسكرية، توفر ASMC نظام "AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure"، وهو نظام يُغيّر البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. وقد بيع هذا النظام للبحريات الأمريكية والكندية والبريطانية، وبلغت قيمة طلباته حتى الآن 75 مليون دولار أمريكي.
بشكل عام، تعمل ASMC على أفضل وجه من خلال الاستفادة من تكنولوجيا الموصلات الفائقة في التطبيقات المتخصصة القابلة للتطبيق اليوم، مع الاستعداد على الأرجح لنشر المزيد من التطورات في المستقبل. كما يجب على المستثمرين أن يلاحظوا أن السهم شهد تقلبات شديدة في الماضي، وأن يحسبوا المخاطر وفقًا لذلك.
آخر الأخبار عن شركة American Superconductor Corporation
مرجع الدراسة:
1.تشو، جي، لف، دبليو، وانغ، هـ. وآخرون.(2025) بداية الموصلية الفائقة للضغط المحيط فوق 40 كلفن في (La,Pr)3Ni2O7 الطبيعة. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
