Siêu vật liệu mới có khả năng cách điện hoàn hảo

[Trúc Hà Nhân]

Một phát hiện khoa học đột phá trong lĩnh vực siêu dẫn: các nhà nghiên cứu Trung Quốc và Mỹ đã tạo ra một loại vật liệu mới tên LaNbHx, có thể siêu dẫn ở 21°C (gần bằng nhiệt độ phòng), dù vẫn cần áp suất rất cao (1,7 vạn lần áp suất khí quyển).

Siêu dẫn là trạng thái vật liệu dẫn điện không có điện trở, ứng dụng tiềm năng trong truyền tải điện, giao thông từ trường (tàu điện từ), máy tính lượng tử, và năng lượng hạt nhân nhiệt hạch.

Trước đây, siêu dẫn chỉ đạt được ở nhiệt độ cực thấp hoặc áp suất cao, tốn kém và khó ứng dụng. LaNbHx mở ra hy vọng đạt siêu dẫn ở điều kiện gần gũi hơn với đời sống.

Ứng dụng nếu thành công: truyền tải điện không tổn thất (giảm lãng phí hàng nghìn TWh mỗi năm), tàu điện từ siêu nhanh (trên 1000 km/h), nâng hiệu suất ô tô điện, và đặc biệt là giúp thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch nhờ giảm tiêu hao năng lượng trong việc kiểm soát plasma.

Tuy nhiên, thách thức còn lớn: chi phí chế tạo cực cao, độ ổn định của vật liệu chưa đảm bảo, và chưa có hệ thống kiểm định chuẩn hóa.

Nhiều quốc gia đã đẩy mạnh đầu tư nghiên cứu: Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản… coi đây là "chìa khóa cho cách mạng năng lượng thế kỷ 21".

Mới đây, một nghiên cứu đột phá được công bố trên tạp chí khoa học hàng đầu quốc tế, Nature, đã thu hút sự chú ý của giới khoa học với phát hiện về một loại vật liệu siêu dẫn mới mang tên LaNbHx. Đáng chú ý, vật liệu này có thể đạt được nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn lên tới 21°C trong điều kiện khí quyển bình thường, thiết lập một kỷ lục mới trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao. Phát hiện này được ví như "chìa khóa mở ra cánh cửa của cuộc cách mạng năng lượng" và hứa hẹn sẽ làm thay đổi cục diện năng lượng toàn cầu.

Vật liệu siêu dẫn vốn được biết đến với khả năng dẫn điện không có điện trở, mở ra những tiềm năng to lớn trong lĩnh vực truyền tải điện, đệm từ và tính toán lượng tử. Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu siêu dẫn hiện tại cần được duy trì ở nhiệt độ cực thấp hoặc trong môi trường áp suất cao, điều này làm tăng đáng kể chi phí bảo trì và hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi. Đội ngũ nghiên cứu từ Trung Quốc và Hoa Kỳ đã sử dụng công nghệ tổng hợp áp suất cao để kết hợp các nguyên tố lanthan và niobi với hydro, tạo ra một vật liệu siêu dẫn hoạt động ở 21°C chỉ cần khoảng 1.7 vạn áp suất khí quyển. Mặc dù vẫn cần một môi trường áp lực, nhưng nhiệt độ này đã gần gũi hơn với điều kiện môi trường sống hàng ngày, mở ra hy vọng cho việc tối ưu hóa những tham số áp suất trong tương lai.

Giáo sư Li Ming (tên giả), người đứng đầu nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts, cho biết: "Đây là lần đầu tiên con người quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn của hidro kim loại ở nhiệt độ phòng, điều này chứng minh rằng việc điều chỉnh cấu trúc điện tử thông qua sự kết hợp của các nguyên tố là một con đường khả thi để đạt được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng." Giám đốc phòng thí nghiệm siêu dẫn tại Viện Khoa học Trung Quốc, Wang Wei (tên giả), cũng chỉ ra rằng sự dao động tần số cao của nguyên tử hydro kết hợp với sự tương tác mạnh mẽ giữa điện tử và phonon của các nguyên tố kim loại có thể là chìa khóa dẫn đến thành công này.

Nếu vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cuối cùng được hiện thực hóa và ứng dụng vào thực tiễn, ảnh hưởng của nó sẽ lan tỏa khắp chuỗi cung ứng năng lượng toàn cầu. Trong lĩnh vực điện, cáp siêu dẫn sẽ cho phép truyền tải điện mà không mất mát, theo ước tính của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, mạng lưới điện toàn cầu hàng năm mất đi 2.500 TWh do tổn thất điện trở, tương đương với 1,5 lần lượng điện tiêu thụ hàng năm của Nhật Bản. Trong lĩnh vực giao thông, tàu điện từ siêu dẫn có thể đạt tốc độ vượt quá 1.000 km/h, trong khi động cơ siêu dẫn có thể nâng cao quãng đường di chuyển của ô tô điện lên tới hơn 30%.

Một khía cạnh đáng chú ý khác là vật liệu siêu dẫn sẽ là công nghệ "km cuối" cho các thiết bị tokamak trong việc đạt được năng lượng hạt nhân có kiểm soát. Hiện tại, lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế (ITER) cần sử dụng những từ trường cực mạnh để kiểm soát plasma nóng tới 150 triệu độ C, trong đó các cuộn dây dẫn đồng truyền thống chiếm tới 30% năng lượng tiêu thụ. Nếu áp dụng các cuộn dây siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, hệ số lợi năng của lò phản ứng hạt nhân dự kiến sẽ từ 6:1 tăng lên 20:1, rút ngắn đáng kể quá trình thương mại hóa.

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc hiện thực hóa vật liệu siêu dẫn mới này vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất, quy trình chế tạo hiện tại vẫn phụ thuộc vào thiết bị áp suất cao như kẹp kim cương, khiến chi phí cho mẫu một gram có thể vượt quá 10.000 đô la Mỹ. Thứ hai, vẫn chưa có giải pháp cho vấn đề sự thoát ra của nguyên tử hydro ở áp suất khí quyển, điều này đặt ra câu hỏi về tính ổn định của vật liệu. Cuối cùng, chưa có hệ thống tiêu chuẩn hóa để kiểm tra các vật liệu siêu dẫn, làm giảm tính khả thi trong việc so sánh hiệu suất sản phẩm.

Để bắt kịp với cơ hội này, nhiều quốc gia đã bắt đầu các chiến lược đầu tư. Bộ Năng lượng Mỹ đã tuyên bố đầu tư 250 triệu đô la Mỹ cho nghiên cứu siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu "Mặt trời nhân tạo" của Trung Quốc cũng đang hợp tác với các nhóm nghiên cứu của Mỹ để giải quyết vấn đề này, trong khi Nhật Bản có kế hoạch xây dựng đường truyền siêu dẫn đầu tiên vào năm 2030. Như một nhà phê bình trên tạp chí Nature đã nhận xét: "Phát hiện này giống như bước đầu tiên trên mặt trăng trong lĩnh vực siêu dẫn; mặc dù con đường còn dài, nhưng hướng đi đã rõ ràng."

Từ năm 1911, khi thủy ngân lần đầu tiên thể hiện tính siêu dẫn ở 4.2 K, đến nay, sự ra đời của LaNbHx đã đánh dấu một bước tiến mới trong hành trình khám phá thế giới không điện trở của nhân loại. Khi những đột phá trong khoa học gặp gỡ nhu cầu từ ngành công nghiệp, cuộc cách mạng năng lượng do vật liệu siêu dẫn thúc đẩy có thể sẽ định hình lại nền văn minh công nghệ của thế kỷ 21. (Sohu)