SO KHOA HOC CONG NGHE - KIEN THUC NONG NGHIEP

Hiện tượng siêu dẫn được H.K Onnes khám phá lần đầu tiên vào năm 1911 ở thủy ngân với nhiệt độ tới hạn khoảng 4⁰K (-269⁰C). Để có được nhiệt độ như vậy, người ta đã dùng chất làm lạnh hêli lỏng rất đắt tiền. Sau khám phá này, rong một thời gian rất dài, mãi cho đến năm 1973, người ta mới tìm được một chất siêu dẫn có nhiệt độ đủ cao có thể sử dụng hydrô lỏng làm chất làm lạnh thay hêli lỏng. Đó là Nb₃Ge, nhiệt độ tới hạn của nó là 22.3⁰K, sau đó được nâng lên một chút: 23.2⁰K.

Việc xảy ra “hàng rào nhiệt độ” sau đó lại tưởng chừng như không thể thực hiện được thì bất ngờ vào cuối năm 1986, hai nhà vất lý ở một phòng thí nghiệm của hãng IBM ở Zurich (Thụy Sĩ), K. Alex Muller và J. Geonge Behnorz, đã tìm ra một loại gốm (có thành phần gồm Ba, La, Cu, và O) có tính siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn vọt lên tới 35⁰K. Kỷ lục mới này ngay sau đó đã liên tục bị phá vỡ và đến ngày 12-2-1987 nghĩa là chỉ sau 2 tháng thì người ta đã đạt được trên 90⁰K nhờ những cố gắng của giáo sư Chin-Wu Chu trên cơ sở phương hướng sử dụng vất liệu gốm mà Muller và Behnorz đã mở ra, lần này có Y, Ba, Cu và O trong đó Y được xem là có vai trò quan trọng. Điều đặc biệt quan trọng là đến đây người ta đã vượt khá xa nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (77⁰K) – chất làm lạnh rẻ hơn hêli lỏng khoảng 500 lần. Muller và Behnorz, ngay sau năm công bố khám phá, đã được tặng giải Nobel về vật lý, một trường hợp hiếm có trong lịch sử giải này.

Ngay sau khi các khám phá trên được công bố, nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới đã lao vào cuộc chạy đua đẩy lùi hàng rào nhiệt độ với tốc độ chỉ có thể thấy ở những cuộc chiến tranh ác liệt nhất. Người ta đã nói rằng đến một phòng thí nghiệm nào đó của IBM mà thấy có người có đôi mắt thâm quầng do thức đêm nhiều thì đúng là anh ta đang nghiên cứu về siêu dẫn! Và cuộc chạy đua này đã không chậm trễ đưa đến những thành tích mới rất đáng kể. Chỉ trong 2 tháng đầu năm 1988 một số kỷ lục về nhiệt độ tới hạn đã liên tiếp xuất hiện và bị phá vỡ: 105⁰K, 123⁰K rồi 125⁰K.

Như vậy là thời kỳ của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầy hứa hẹn đã bắt đầu và cái đích mà người ta muốn đi tới là những chất mà trạng thái siêu dẫn có thể tồn tại ở nhiệt độ bình thường, thực hiện ước mơ về những đường dây tải điện và các thiết bị điện ở đó không có hiệu ứng Joule mà không phải dùng đến các phương tiện làm lạnh, tổn thất điện năng do đó sẽ giảm một cách đáng kể, tương đương với việc khám phá ra những nguồn năng lượng mới khổng lồ đáp ứng một phần quan trọng nhu cầu năng lượng của nhân loại.

Tuy nhiên việc tiếp tục đẩy xa hàng rào nhiệt độ là không dễ dàng và phải thêm 5 năm nữa, đến năm 1993, người ta mới lại có được những kết quả cao hơn: 133⁰K ở Zurich, 150⁰K ở Houston (Mỹ) và 157⁰K ở Grenoble (Pháp), hai trường hợp sau là với sự hổ trợ của các áp suất cao. Việc sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã tạo được cũng có những khó khăn về công nghệ như vật liệu có tính giòn, do đó khó kéo thành sợi: dòng điện chạy qua nó không thể tăng cao vì từ trường mà dòng điện đó tạo ra nếu quá lớn sẽ phá hủy trạng thái siêu dẫn: vật liệu sử dụng có độ độc cao. Người ta đang tìm cách khắc phục các khó khăn này và cũng có một số kết quả.

Trước khi có các khám phá về chất siêu dẫn nhiệt độ cao, các chất siêu dẫn “nhiệt độ thấp” cũng đã được sử dụng trong một số trường hợp cụ thể. Trong số đó quan trọng nhất là những cuộc dây cho phép tạo ra những từ trường cực mạnh, điều này không thể thực hiện được với những chất thông thường vì do hiệu ứng Joule, các chất này sẽ chảy ra. Các nam châm siêu dẫn đã được sử dụng nhiều trong các lò phản ứng nhiệt hạch hoặc điều khiển quỹ đạo của các hạt trong các máy gia tốc.

Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của các chất siêu dẫn đã có từ thời kỳ “nhiệt độ thấp” là các dụng cụ đo chính xác. Đặc biệt trên cơ sở khám phá của B.Josephson năm 1962 về hiệu ứng mang tên ông (dòng siêu dẫn có thể “chui qua” một lớp điện môi mỏng để phát ra sóng điện từ), ngoài nhiều dạng cụ khác, người ta đã làm ra những dụng cụ gọi là SQUID (superconducting quantum interference device = dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn) rất có ích cho nhiều lĩnh vực, thí dụ như để phát hiện những thăng giáng từ trường trong não người, những thăng giáng này bắt nguồn từ các quá trình phóng điện có liên quan đến thí dụ như hiện tượng động kinh.

Một số tổ chức đã đưa ra các dự báo về thị trường siêu dẫn nhiệt độ cao với mức độ lạc quan rất khác nhau. Theo Famouth Associates, thị trường có thể là 375 triệu đôla vào năm 2000. Con số này sẽ được nhân lên với 10 nếu như người ta lại tìm được các chất siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường. Business Communication Company thì lạc quan hơn: kể cả các chất siêu dẫn nhiệt độ cao cũng như các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, nghĩa là các gốm mới được phát hiện cũng như các kim loại và hợp kim siêu dẫn đã quen thuộc, thì thị trường có thể là 1.78 tỷ đôla vào năm 2000. Các chuyên gia của Nilkei Research Institute còn lạc quan hơn: kể tất cả các loại siêu dẫn, thị trường năm 2000 là 12.4 tỷ đô la, thậm chí có thể là 85 tỷ đôla nếu như các chất siêu dẫn nhiệt độ bình thường được phát hiện. Theo High Tech Materials Alert mà các tính toán của họ được cộng đồng kinh tế châu Âu sử dụng để lập ngân sách hổ trợ cho các chương trình về vật liệu siêu dẫn thì thị trường siêu dẫn vào năm 2002 là 2 tỷ đôla, trong số đó 50% là các ứng dụng y học.

Ngành công nghiệp	1986	2005
Điện tử Dụng cụ và ứng dụng khoa học Hàng không và vũ trụ quân sự Công nghiệp chế tạo Sản xuất năng lượng Vận tải	40 200 25 20 5 5	400 780 350 200 50 20
Tổng cộng	295	1800

Một loại siêu mới khác có các ống và hạt nanô. Loại vật liệu này bắt nguồn từ việc khám phá ra vào năm 1985, một phân tử mới của cacbon là phần tử C₆₀gồm 60 nguyên tử cacbon sắp xếp thành một cấu trúc gốm 12 hình năm cạnh và 20 hình sáu cạnh có dạng một quả bóng đá. Các cấu trúc phân tử đã biết trước đây của cacbon là graphit (gồm các mặt phẳng song song liên kết yếu với nhau của các nguyên tử cacbon sắp xếp thành một mạng lục giác) và kim cương (gồm các nguyên tử cacbon nằm tại các đỉnh của một khối tứ diện và khối tứ diện như vậy sắp xếp đều đặn trong không gian). Sau khi khám phá ra C người ta lại tiếp tục tìm được các phân tử tương tự với số nguyên tử tạo thành là 70, 76, 84, v.v…; Đặc điểm chung của chúng là có cấu trúc của một cái lồng kín mà trong đó mà ta có thể cất giữ các nguyên tử của một số nguyên tố. Các phân tử như vậy được gọi là fulơren theo tên của kiến trúc sư R.Buckminster Fullet (1895-1983), người ta đã thiết kế các nhà mái vòm với cấu trúc tương tự. Có thể nói việc khám phá ra các fulơren là một cuộc cách mạng trong khoa học về cacbon. Nhựng người đã có những đóng góp cơ bản vào khám phá này, Harold W.Krotko, Richard E.Smalley và Robert F.Curl, đã được tặng giải Nobel vể hóa học năm 1996.

Sau khi phân tử C₆₀ được phát hiện,phải chờ thêm 5 năm nữa nó mới bắt đầu được nghiên cứu một cách hệ thống, vì đến lúc này người ta mới tìm được những kỹ thuật (hồ quang điện) cho phép tổng hộp nó với lượng đáng kể (hiện nay là khoảng 1 gam trong 1 giờ). Và từ lúc này, nhiều tính chất hấp dẫn của fulơren đã dần dần được phát hiện. Người ta tìm thấy rằng fulơren được pha thêm các chất kiềm sẽ trở thành siêu dẫn, nhiệt độ tới hạn đạ được lúc đầu là 17⁰K nhưng sau đã được nâng lên tới 28 rồi 33⁰K. Việc khám phá ra các fulơren siêu dẫn đã mở ra khả năng tìm kiếm những chất siêu dẫn nhiệt độ cao không có nhược điểm giòn như các gốm siêu dẫn. Hướng tìm kiếm này đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới rất hăng say theo đuổi.

Năm 1991, Sumion Iijima ở Viện nghiên cứu Cơ bản của công ty NEC ở Isukuba, Nhật Bản đã có một khám phá quan trọng. Trong một thí nghiem65che61 tạo C bằng cách cho phóng điện giữa hai thanhgraphit trong một vỏ bọc chứa khí trơ hêli, với một cách thao tác khác, Iijimađã tìm thấy trong muội than bám trên vách vỏ bọc khi đặt dưới hiển vi điện tử những sợi cacbon rất nhỏ gồm những cái kia kiểu như đồ chơi các con búp bê lồng vào nhau của người nga, có khi tới 50 cái. Những các ống như vậy- dạng cấu trúc phân tử thứ tư của cacbon- được gọi là ống nanô vì đường kính của chúng chỉ cỡ nanômet 10⁹m. 50.000 cái ống như vậy đặt cạnh nhau cũng chỉ bằng sợi tóc.

Ngoài các ống nanô, người ta cũng đã tạo được các hạt nanô có dạng không xác định được từ trước nhưng luôn luôn có các mặt bên. Nói riêng người ta đã làm được những hạt nanô củ hành- những cấu trúc gồm nhiều lớp đồng tâm có dạng ít nhiều gần như mặt cầu. Trong một thí nghiệm, các “củ hành” đã được đưa lên trên 70⁰C đồng thời được bắn bởi một chùm êlectron mạnh, khi đó các lớp bên trong của chúng bị đè nát và biến thành kim cương!

Người ta đã nhốt được các nguyên tử vào trong một số phân tử fulơren song số các nguyên tố có thể sử dụng được vào việc này chỉ có rất ít và việc sản xuất các phân tử này với lượng đáng kể là rất khó. Thay các fulơren bằng các ống hay hạt nanô tỏ ra có nhiều triển vọng hơn. Người ta đã đưa được các nguyên tố kim loại Pb, Mn, Co, v.v.. vào trong các ống nanô gồm nhiều cacbon. Người ta cũng đã nhốt được các nguyên tố bán dẫn Si và Ge và các chất cách điện. Như vậy có hy vọng sẽ chế tạo ra những sợi nhỏ cỡ nanômet có tính dẫn điện, bán dẫn, cách điện và cũng có thể có từ tính để sử dụng trong điện tử học (điện tử học nanô). Những cái lồng cacbon giữ vai trò vừa là khuôn vừa là vỏ bảo vệ vật liệu khỏi các tác động hóa học và các tác động bên ngoài khác. Đặt biệt, người ta đã đưa được hợp chất siêu dẫn Yni₂B₂C (nhiệt độ tới hạn 15⁰K) vào trong các hạt nanô. Khi đó các hạt này cũng có tính siêu dẫn với cũng nhiệt độ tới hạn và như vậy trên cơ sở này sẽ có thể sản xuất được các bột siêu dẫn dùng trong các compôsit hay hệ tản mạn.

Ở trên chúng ta đã nói đến những ống nanô gồm nhiều lớp nguyên tử cacbon. Những ống nanô chỉ có một lớp nguyên tử cacbon- ống nanô vách đơn- cũng đã được chế tạo. Nhóm của Stanley năm 1996 đã chế tạo những chiếc ống như vậy. Chúng có đường kính vào khoảng 10-20 nanômet và rất dài (có hy vọng đạt tới nhiều milimet). Các ống này có thể được bó lại với nhau để tạo ra một sợi cực kỳ bền đồng thời rất nhẹ- bền hơn 100 lần và nhẹ hơn 6 lần so với những loại thép tốt nhất.

Ống nanô vách đơn có đường kính nhỏ hơn 100 lần những mạch nhỏ nhất trong các bộ vi xử lý tốt nhất hiện nay và dẫn điện rất tốt, hơn hẳn các dây dẫn làm bằng đồng. Các ống nanô do đó sẽ có thể là những thành phần có vị trí cực kỳ quan trọng trong điện tử học.

Song con đường mà các nhà nghiên cứu còn phải vượt qua trược khi đến những ứng dụng cụ thể còn rất dài và có rất nhiều trở ngại. Một công việc phải làm là thăm dò tất cả các kiểu ống và hạt có thể có. Một công việc khác là hoàn thiện các kỹ thuật chế tạo vật liệu- ống và hạt nanô.