Почти два десятилетия назад ученые обнаружили сверхпроводимость в новом материале - дибориде магния, или MgB₂. Произошел всплеск популярности МГБ₂ благодаря своей низкой стоимости, превосходным сверхпроводящим свойствам, высокой критической плотности тока (что означает, что по сравнению с другими материалами MgB₂ остается полупроводником, даже когда через него пропускается большее количество электрического тока), и захваченные магнитные поля, возникающие в результате сильного закрепления вихрей - которые представляют собой цилиндрические токовые петли или трубки магнитного потока, которые проникают в сверхпроводник. Интерметаллический МгБ₂ также позволяет регулировать его свойства. Например, значения критической плотности тока (J_c) МГБ₂ может быть улучшен за счет уменьшения размера зерен и увеличения количества границ зерен. Такая возможность регулировки не наблюдается в обычных слоистых сверхпроводниках.

Для расширения сферы применения MgB₂, однако существует необходимость упростить способ его приготовления. Недавно группа исследователей отправилась в путешествие, чтобы сделать это. Они создали новый оптом МГБ₂ с помощью процесса, называемого искровым плазменным спеканием (SPS). В их недавней статье, впервые опубликованной 27 июля 2022 года в Наноматериалы, проф. Муралидхар Мирьяла из Технологического института Сибаура (SIT), Япония, который возглавлял группу, объясняет: "Спекание искровой плазмой (SPS) - очень интересная технология - это метод быстрого уплотнения, при котором порошок превращается в плотное твердое вещество. Источником тепла в этой процедуре является не внешний источник, а электрический ток, который протекает через матрицу, заставляя порошок спекаться в сыпучий материал. Кинетику спекания можно лучше понять и контролировать с помощью SPS. В отличие от других подобных методов, это позволяет контролировать рост зерна. Более того, он также имеет более короткое время обработки!"

Профессор Мирьяла и проф. Жак Г. Ноудем (из Университета Нормандии, Франция) использовал этот нетрадиционный метод для приготовления массовых образцов МгБ_2. Полученный материал обладал превосходными сверхпроводящими свойствами и плотностью, которая достигала 95% от того, что было теоретически предсказано для этого материала. Исследовательская группа включала проф. Пьер Бернштейн и Итен Син, который является докторантом с двойной степенью в SIT и Университете Нормандии.

Для синтеза объемного МгБ₂ Команда загрузила два порошка - магний и аморфный бор - в форму из карбида вольфрама (WC) и спекла их с использованием SPS при различных температурах в диапазоне 500-750 ° C и давлении в диапазоне 260-300 мегапаскалей (МПа), затем охладила сформированный материал. Общее время обработки составило около 100 минут. Затем команда проанализировала плотность и структурные свойства приготовленного материала, используя различные методы визуализации и тестирования.

Их эксперименты показали, что материал имел очень высокую плотность 2,46 г/см³ и высокий коэффициент упаковки 95% (что указывает на то, что атомы в сыпучем материале были расположены очень близко друг к другу). Это также показало наличие нанозерен и большого количества границ зерен. Более того, в нем не было фаз, обедненных Mg, таких как MgB_4. Электромагнитная характеристика материала показала, что он обладает чрезвычайно высокой J_c до 6,75 10⁵ ампер/см² при температуре около -253°C. Это означает, что даже при такой высокой плотности тока объемный МгБ₂ сделанный командой, будет действовать как сверхпроводник. "Его J_c был весьма примечателен для чистого, нелегированного МгБ_2," прокомментировал проф. Мирьяла.

Заинтересовавшись тем, как материал проявил такие превосходные свойства, команда копнула глубже. Они пришли к выводу, что подготовленный МГБ₂Сверхпроводящие свойства были обусловлены его высокой плотностью, отличной связностью зерен (из-за отсутствия обедненных Mg фаз) и сильным закреплением вихрей, чему способствует наличие нанозерен и границ зерен.

Это исследование предоставило новый способ улучшить свойства сверхпроводящих материалов, таких как MgB₂. Учитывая высокую J этого материала_c, он может быть использован в технологии с охлаждением жидким водородом. Он также становится многообещающим кандидатом для транспортировки, хранения и топливных систем на основе жидкого водорода. "Глобальное потепление является одной из главных угроз, с которыми человечество сталкивается сегодня, и переход к экономике возобновляемых источников энергии является одним из наиболее эффективных решений этой проблемы. Учитывая потенциальное использование материала в системах с жидким водородом и его превосходные структурные и сверхпроводящие свойства, наша работа является позитивным шагом на пути к реализации более экологичных технологий", - заключает профессор. Мирьяла.