Việc tạo ra một chất siêu dẫn (superconductor) mới sẽ giúp điện thoại và máy tính xách tay tiết kiệm điện hơn để hoạt động và không bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt nên thời lượng pin sẽ dài hơn. Các thành phần siêu dẫn tương tự cũng có thể được tích hợp vào pin xe điện hay giúp loại bỏ thất thoát của các hệ thống truyền tải điện điện và cải thiện phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Cuộc đột phá ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực
Một nhóm nhà khoa học Mỹ cho biết đã sản xuất được “chất siêu dẫn có triển vọng thương mại” đầu tiên giúp loại bỏ sự thất thoát năng lượng khi điện di chuyển dọc theo dây dẫn, một bước đột phá có thể tăng tuổi thọ cho pin điện thoại, tăng hiệu suất lưới điện và tàu cao tốc, Wall Street Journal cho biết.
Dùng chất siêu dẫn truyền tải điện để không bị thất thoái điện được xem là “cực kỳ phi thực tế” vì chúng phải được làm mát ở nhiệt độ âm 320 độ F và chịu áp suất cực lớn mới có thể làm được việc này. Nhưng giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester cho biết họ đã tạo ra một chất siêu dẫn mới có thể hoạt động ở “nhiệt độ bình thường” (room temperature) và áp suất thấp hơn nhiều so với các chất siêu dẫn được phát hiện trước đây!
Theo Ranga Dias, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí và vật lý tại Đại học Rochester, người chỉ huy nhóm nghiên cứu: “Bước đột phá mới báo hiệu sẽ có các mạng lưới điện không thất thoát điện, có nam châm tốt hơn và rẻ hơn để sử dụng trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tương lai. Có được kỳ tích này là nhờ dây dẫn điện dùng chất siêu dẫn mới hoạt động hoàn hảo trong điều kiện môi trường bình thường mà không cần hệ thống làm mát không tưởng”.
Ông tự tin nói: “Nhờ chất siêu dẫn mới tạo ra, chúng ta có thể nâng các đoàn tàu lên trên đường ray siêu dẫn bằng nam châm, thay đổi cách lưu trữ và truyền tải điện đồng thời cách mạng hóa lĩnh vực y tế”.
Các chất siêu dẫn thể hiện cái mà các nhà vật lý gọi là “hiệu ứng Meissner” để chỉ việc một vật liệu giải phóng từ trường của nó. Nếu bạn đặt một chất siêu dẫn gần một nam châm, nó sẽ bay lên.
Thật ra, từ năm 2020, nhóm nghiên cứu của Dias thông báo với giới khoa học họ đã tạo ra một chất siêu dẫn từ sự hỗn hợp hydro, lưu huỳnh và carbon (ông gọi đây là công thức tạo chất siên dẫn). Sau đó, hỗn hợp được nung bằng tia laze và ép giữa hai đầu của hai viên kim cương. Điểm tiếp xúc của kim cương không lớn hơn đầu sợ tóc người nên đã tạo ra áp suất cực lớn gần bằng áp suất ở trung tâm Trái đất bên trong một công cụ được gọi là “tế bào anvil kim cương” (diamond anvil cell-DAC) để cho ra chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bình thường! (DAC cho phép các nhà khoa học kiểm tra vật liệu dưới các áp suất khác nhau để xem liệu những vật liệu đó có siêu dẫn hay không).
Trong nghiên cứu bổ sung mới được công bố ngày 8 Tháng Ba trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh hỗn hợp (thêm nitơ và kim loại đất hiếm lutetium vào hydro thay vì lưu huỳnh và carbon) sau đó nung nóng và ép nó trong DAC.
“Reddmatter” hứa hẹn tạo ra cuộc cách mạng siêu dẫn
Nhóm nghiên cứu của Dias đặt tên cho chất siêu dẫn mới (được làm từ hỗn hợp hydro, nitơ và đất hiếm lutetium) là “reddmatter”, sau khi quan sát cách màu sắc của vật liệu thay đổi từ xanh lam sang hồng sang đỏ lúc đang bị nén.
“Tên gọi này lấy cảm hứng từ chất hư cấu tạo ra lỗ đen trong bộ phim bom tấn Hollywood “Star Trek” chiếu năm 2009” – Dias giải thích. “Reddmatter” hoạt động ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp hơn các vật liệu siêu dẫn khác. Đây là đột phá lớn của nhóm nghiên cứu. Theo Phòng thí nghiệm Rochester, “chất đỏ” siêu dẫn có thể tồn tại ở nhiệt độ 69 độ F và áp suất 145,000 pound trên inch vuông (psi), khoảng 1/360 áp suất trong lõi Trái đất.
Ashkan Salamat, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà vật lý tại University of Nevada ở Las Vegas dự báo: “Chúng ta sẽ có các thiết bị chứa các thành phần siêu dẫn trong 5 năm tới. Lúc đó điện thoại và máy tính xách tay sẽ cần ít điện hơn để chạy và không bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt nên thời lượng pin dài hơn. Pin xe điện cũng được lợi”.
Tiến sĩ Salamat cho biết khi chất siêu dẫn hoạt động được ở nhiệt độ và áp suất nình thường, nó cũng giúp giải quyết các vấn đề như biến đổi khí hậu. “Ví dụ, một lưới điện siêu dẫn có thể lưu trữ năng lượng Mặt trời hoặc năng lượng gió trong thời gian không xác định và truyền đi một khoảng cách lớn mà không bị thất thoát” – ông nói.
Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (U.S. Energy Information Administration) ước tính trung bình 5% điện năng bị thất thoát trong quá trình truyền tải và phân phối từ năm 2017 đến năm 2021. Lưu trữ và truyền tải năng lượng hiệu quả hơn đồng nghĩa với việc sử dụng năng lượng ít hơn, giúp giảm lượng khí thải carbon.
Salamat nói thêm: “Các chất siêu dẫn cũng có thể mở đường cho những cỗ máy tốt hơn, rẻ hơn dùng cho phản ứng tổng hợp hạt nhân, một nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn”. Các phản ứng tổng hợp hạt nhân, kết hợp các nguyên tử và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ không tạo ra bất kỳ chất thải phóng xạ hoặc khí nhà kính nào. Nhiều máy nhiệt hạch dựa vào từ trường để giới hạn các phản ứng, nay chất siêu dẫn có thể tạo ra một từ trường mạnh nhất.
Dias lạc quan: “Một chất siêu dẫn như “reddmatter” tạo ra một từ trường khổng lồ ở nhiệt độ bình thường sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong thập niên tới hoặc lâu hơn cho những nỗ lực xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch”. Chụp ảnh y tế không xâm lấn (Noninvasive medical imaging) cũng có thể được hưởng lợi từ các chất siêu dẫn hoạt động ở điều kiện giống môi trường xung quanh.
Hầu hết các máy chụp cộng hưởng từ (MRI), đều dựa vào nam châm siêu dẫn, hoạt động bằng cách cho một dòng điện chạy qua các cuộn dây siêu dẫn làm phát sinh từ trường. Những cuộn dây đó được làm lạnh bằng cách sử dụng helium lỏng, một nguồn tài nguyên khan hiếm và đắt tiền khiến hệ thống MRI khó phổ biến rộng. Nay, chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cho phép các máy MRI nhỏ hơn, di động hơn mà không cần phải có hệ thống giữ mát.
